RU2522685C2 - Crown bit - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to rock cutting tool intended for exploration drilling with application of dual core barrels including detachable inner barrel. Crown bit cutters, their holders and shanks made integral with the latter feature cylindrical shape and common pivot pin arranged at mid diameter of crown bit body end. Said cylindrical shanks along with thrust bearing fit with minimum clearance in blind bores to spin on their pin, blind bores being made at crown bit body end, parallel with its axis. While cutters of top row are retained by steel ball fitted via bit body side bore in ring groove made at shank lower end.

EFFECT: longer life, higher mechanical speed, lower power input.

2 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником.The invention relates to a rock cutting tool intended for exploration drilling mainly using double core pipes, including a removable core receiver.

В таких условиях буровая коронка должна иметь высокий ресурс и механическую скорость бурения. Максимальным ресурсом обладают многослойные алмазные или так называемые импрегнированные коронки.In such conditions, the drill bit must have a high resource and mechanical drilling speed. The maximum resource is possessed by multilayer diamond or so-called impregnated crowns.

Известна принятая за прототип, одна из наиболее долговечных импрегнированных алмазных буровых коронок типа К-41 для бурения со съемным керноприемником комплекса КССК-76 (см. Будюков и др. Алмазный породоразрушающий инструмент. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. - 288 с., ил.), возможности повышения долговечности которой, как и подобных ей, путем усиления вооружения, исчерпаны из-за ограниченности ресурса ее резцов, формирующих стенки скважины и керн.Known adopted for the prototype, one of the most durable impregnated diamond drill bits of type K-41 for drilling with a removable core receiver of the KSSK-76 complex (see Budyukov and other Diamond rock cutting tools. - Tula: IPP “Grif and K”, 2005. - 288 pp., Ill.), The possibilities of increasing the longevity of which, like those similar to it, by strengthening armaments, have been exhausted due to the limited resource of its cutters forming the walls of the well and core.

Задача изобретения состоит в увеличении калибрующего вооружения коронки, обрабатывающего стенки скважины и керн, что позволит соответственно повысить ресурс вооружения, выполняющего работу по разрушению забоя, и, как следствие, ресурс коронки по вооружению в целом.The objective of the invention is to increase the calibrating weapons of the crown, processing the walls of the borehole and core, which will accordingly increase the resource of weapons performing work to destroy the bottom, and, as a result, the resource of the crown for weapons as a whole.

Для решения этой задачи в буровой коронке резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики, имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки, причем цилиндрические хвостовики державок, вместе с упирающимся в них упорным подшипником, входят, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси. При этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовикаTo solve this problem, the cutters in the drill bit, the holders firmly connected with them, and the shanks made at the same time as the holders, have a cylindrical shape and a common axis of rotation, which is located on the average diameter of the end face of the crown body, and the cylindrical shanks of the holders, together with those resting on them with a thrust bearing, they enter, with a minimum clearance and the possibility of rotation around their axis, into blind holes made from the end face of the crown body parallel to its axis. In this case, the cutters are kept from falling out of their holes due to a steel ball installed through a side hole in the body of the crown at its end into an annular groove made at the lower end of the shank

Изобретение иллюстрируется чертежами, где изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - вид с торца алмазной буровой коронки с цилиндрическими резцами, оси которых расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки,figure 1 is an end view of a diamond drill bit with cylindrical cutters, the axes of which are located on the average diameter of the end face of the crown body,

на фиг.2 - сечение А-А коронки, представленной на фиг.1.figure 2 is a section aa of the crown shown in figure 1.

Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны.To simplify the drawings and their greater visibility, washing windows, slurry grooves and sealing elements are not shown.

Буровая коронка отличается тем, что резцы 1, прочно связанные с ними державки 2, а также выполненные заодно с державками хвостовики 3 имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения. Цилиндрические хвостовики 3 державок вместе с упирающимся в них упорным подшипником 4 и пятой 5 входят, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия 6, выполненные с торца тела коронки 7 параллельно ее оси. При этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику 8, установленному через боковое отверстие 9 в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку 10, выполненную у нижнего конца хвостовика 3.The drill bit is characterized in that the cutters 1, the toolholders 2 firmly connected with them, as well as the shanks 3 made at the same time with the toolholders, have a cylindrical shape and a common axis of rotation. The cylindrical shanks 3 of the holders together with the thrust bearing 4 and the fifth 5 resting on them enter, with a minimum clearance and the possibility of rotation around their axis, into blind holes 6 made from the end face of the crown 7 body parallel to its axis. In this case, the cutters are kept from falling out of their holes due to the steel ball 8 installed through the side hole 9 in the body of the crown at its end into an annular groove 10 made at the lower end of the shank 3.

Заявляемая конструкция буровой коронки позволяет решить поставленную задачу. Действительно, резцы предлагаемой буровой коронки благодаря цилиндрической форме и общей оси вращения с державками и хвостовиками, опирающимися на упорные подшипники, имеют возможность одновременного вращения вокруг своей оси и создания нагрузки на забой скважины для его разрушения.The inventive design of the drill bit allows you to solve the problem. Indeed, the cutters of the proposed drill bit due to the cylindrical shape and the common axis of rotation with holders and shanks supported by thrust bearings have the ability to simultaneously rotate around its axis and create a load on the bottom of the well to destroy it.

В данном случае (см. фиг.1) оси всех резцов расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки и сцепление резца со стенкой скважины обусловливает его вращение против часовой стрелки, а сцепление с керном, наоборот, - по часовой. Но, поскольку крутящий момент на наиболее отдаленных от оси коронки точках резца больше, он должен проворачиваться против часовой стрелки. Вместе с тем, за счет контакта с дном забоя, в результате, здесь возможно вращение резца с проскальзыванием. Вращение резцов с проскальзыванием создает условия возникновения практически всех видов разрушения горных пород - истирание, резание, скалывание, смятие и раздавливание в различных комбинациях в зависимости от их физико-механических свойств и применяемых режимов бурения.In this case (see Fig. 1), the axes of all the cutters are located on the average diameter of the end face of the crown body and the adhesion of the cutter to the wall of the well causes it to rotate counterclockwise, and the adhesion to the core, on the contrary, clockwise. But, since the torque at the points of the cutter farthest from the axis of the crown is greater, it must turn counterclockwise. At the same time, due to contact with the bottom of the face, as a result, rotation of the cutter with slippage is possible here. The rotation of the cutters with slippage creates the conditions for the occurrence of almost all types of rock destruction - abrasion, cutting, chipping, crushing and crushing in various combinations depending on their physicomechanical properties and the drilling regimes used.

В случае же расположения осей одной части резцов ближе к наружному диаметру корпуса коронки, а другой - к внутреннему, то, поскольку они контактируют или только со стенкой скважины или только с керном, то, с учетом контакта их также с дном забоя, степень проскальзывания резцов будет значительно меньше, и, как следствие, реализацию получит такой вид разрушения горной породы, как смятие и раздавливание (см. Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин: Справочное пособие. - М.: Недра, 1993. - 334 с.: ил.).If the axes of one part of the incisors are closer to the outer diameter of the crown body and the other to the inner, then, since they are in contact either only with the wall of the well or only with the core, then, taking into account their contact also with the bottom of the bottom, the degree of slipping of the incisors will be much less, and, as a result, the implementation will receive such a kind of rock destruction as crushing and crushing (see Sulakshin S.S. Drilling of exploration wells: A reference guide. - M .: Nedra, 1993. - 334 pp., silt .).

Далее, вращение резцов вокруг своей оси обеспечивает более высокую вооруженность подрезными алмазами. Действительно, матрицу обычной алмазной буровой коронки можно представить в виде набора штабиков квадратной формы со стороной «а», равной ширине матрицы. В каждом таком штабике подрезные алмазы можно разместить только на внутренней и внешней стороне квадрата, т.е. на длине 2а. В предлагаемой коронке с расположением оси резцов на среднем диаметре ее торца, штабики цилиндрической формы имеют диаметр той же величины «а», и, поскольку подрезные алмазы расположены по всей длине окружности штабика, т.е. на длине 3,14а, вооруженность вращающегося резца подрезными алмазами в цилиндрическом штабике в 1,57 раза выше (3,14а:2а=1,57), чем в квадратном с двумя рабочими сторонами. Учитывая, что цилиндрические резцы установлены с зазором и их площадь забоя за счет этого чуть меньше, чем у обычной, преимущество в вооруженности подрезными алмазами выше не в 1,57, а в 1,5 раза. Следовательно, при прочих равных условиях долговечность такой коронки в сравнении с обычной также в 1,5 раза выше.Further, the rotation of the cutters around its axis provides higher armament with cutting diamonds. Indeed, the matrix of a conventional diamond drill bit can be represented as a set of square-shaped piles with side “a” equal to the width of the matrix. In each such headquarters, cutting diamonds can only be placed on the inside and outside of the square, i.e. on the length of 2a. In the proposed crown with the location of the axis of the incisors on the average diameter of its end, the cylindrical beads have the diameter of the same value “a”, and since the cutting diamonds are located along the entire circumference of the head, i.e. at a length of 3.14a, the armament of a rotating cutter with cutting diamonds in a cylindrical head is 1.57 times higher (3.14a: 2a = 1.57) than in a square with two working sides. Considering that cylindrical cutters are installed with a gap and their bottom area is therefore slightly smaller than that of a conventional one, the advantage in arming with cutting diamonds is not 1.57 but 1.5 times higher. Therefore, ceteris paribus, the durability of such a crown in comparison with the usual is also 1.5 times higher.

Таким образом, применение предлагаемой буровой коронки обеспечивает, с одной стороны, благодаря возможности вращения резцов вокруг своей оси более эффективное разрушение горной породы и, с другой, в результате усиления вооруженности подрезными резцами, - более высокий ее ресурс.Thus, the use of the proposed drill bit provides, on the one hand, due to the possibility of rotation of the incisors around its axis, more efficient destruction of the rock and, on the other hand, as a result of increased armament with scoring incisors, its higher resource.

Пример реализации предлагаемой буровой коронки.An example implementation of the proposed drill bit.

В качестве примера принимаем алмазную буровую коронку диаметром 76 мм для бурения комплексом КССК-76. Внутренний диаметр коронки 40 мм. Толщина матрицы 18 мм. В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы предлагаемой алмазной коронки, представленной на фиг.1 и 2. Алмазоносные штабики цилиндрического профиля имеют максимальный диаметр 18 мм, т.е. равный разности наружного и внутреннего диаметра обычной коронки, применяемой при бурения комплексом КССК-76. Учитывая, что ресурс подрезных резцов предлагаемой коронки в 1,5 раза выше в сравнении с обычной, высоту ее матрицы увеличиваем также в 1,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение долговечности коронки. Диаметр хвостовика, пяты упорного подшипника и соответствующего им отверстия равен 8 мм. В качестве упорного подшипника принимаем шарик диаметром 6 мм по ГОСТ 3722-81. Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах IХ-Х категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.As an example, we take a diamond drill bit with a diameter of 76 mm for drilling with the KSSK-76 complex. The inner diameter of the crown is 40 mm. The thickness of the matrix is 18 mm. In these overall parameters, all the structural elements of the proposed diamond crown are shown, shown in Figs. 1 and 2. Diamond-bearing posts of a cylindrical profile have a maximum diameter of 18 mm, i.e. equal to the difference between the outer and inner diameters of the conventional core used when drilling with the KSSK-76 complex. Considering that the resource of the incisors of the proposed crown is 1.5 times higher in comparison with the usual one, the height of its matrix is also increased by 1.5 times, which ensures a corresponding increase in the durability of the crown. The diameter of the shank, the heel of the thrust bearing and the corresponding hole is 8 mm. As a thrust bearing, we take a ball with a diameter of 6 mm according to GOST 3722-81. Drilling is carried out using a shell with a removable core receiver in rocks of IX-X drillability categories. Rotational speed - up to 1500 rpm.

Удельную осевую нагрузку принимаем максимальную 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 породах Х категории буримости, равную 1,0 кН/см². Всего в работе 12 резцов. Площадь рабочей поверхности резца с учетом промывочных окон и шламовых пазов равна 2,1 см². Следовательно, нагрузка на резец составит 2,1 кН, а общая нагрузка на коронку - 2,1×12=25,2 кН.We take the maximum axial load in accordance with the recommendations for diamond drilling (see Exploratory Well Drilling. Textbook for High Schools / N.V. Soloviev et al .; Ed. By N.V. Soloviev. - M.: Vyssh. Shk., 2007. - 2007., 904 s .; ill.) in rocks of the X category of drillability equal to 1.0 kN / cm ² . In total, there are 12 incisors. The area of the working surface of the cutter, taking into account washing windows and slurry grooves, is 2.1 cm ² . Therefore, the load on the cutter will be 2.1 kN, and the total load on the crown - 2.1 × 12 = 25.2 kN.

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 .

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.):First, we determine the power consumption for the rotation of a conventional diamond core from the following relationship (see the Reference Manual of an Exploration Drilling Engineer: In 2 volumes / Edited by Prof. EA Kozlovsky. - Volume 2 - M .: Nedra, 1984, 437 p.):

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=25200 Н; n_вр=1500 об/мин; D_н=76 мм; D_в=48 мм, имеемSince P = 25200 N; n _BP = 1500 rpm; D _n = 76 mm; D _in = 48 mm, we have

N=0,81×10^-8×25200×1500(76+48)=38 кВт.N = 0.81 × 10 ^-8 × 25200 × 1500 (76 + 48) = 38 kW.

Крутящий момент на коронкеCrown torque

М_кр=9552×38:1500=242 Нм.M _cr = 9552 × 38: 1500 = 242 Nm.

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

R=76:2:1000=0,038 м,R = 76: 2: 1000 = 0.038 m,

и что одновременно работают 12 резцов, находим среднюю расчетную окружную силу на один резецand that 12 cutters are working simultaneously, we find the average calculated circumferential force per cutter

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

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=3,14×8×0,2:2=2,51 мм²,S _from = 3.14 × 8 × 0.2: 2 = 2.51 mm ² ,

и напряжение смятия будет равноand the crushing stress will be equal

530:2,51=211 Н/мм².530: 2.51 = 211 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

662:211=3,1,662: 211 = 3.1,

что достаточно.which is enough.

Проверяем прочность опорной поверхности упорного подшипника, представляющего собой шарик диаметром 6 мм с пятой. Согласно ГОСТ 3722-81 твердость шарика не менее 62HRC, разрушающая сила 22000 Н (2245 кг). Запас прочности находим для пяты и рабочего торца хвостовика, сегментная поверхность которых в сопряжении с шариком определяется следующей зависимостью:We check the strength of the supporting surface of the thrust bearing, which is a ball with a diameter of 6 mm and a fifth. According to GOST 3722-81, the ball hardness is not less than 62HRC, the breaking strength is 22000 N (2245 kg). The safety margin is found for the heel and the working end of the shank, the segment surface of which in conjunction with the ball is determined by the following dependence:

где:Where:

d - диаметр шарика;d is the diameter of the ball;

Н - высота сегментной поверхности на контакте шарика с пятой или рабочим торцом хвостовика. При d=6 мм и Н=2 мм имеем:H is the height of the segmented surface at the contact of the ball with the fifth or working end of the shank. With d = 6 mm and H = 2 mm we have:

S=3,14×6×2=37,7 мм².S = 3.14 × 6 × 2 = 37.7 mm ² .

Максимальное напряжение смятия в подшипнике (на рабочей поверхности пяты или хвостовика):Maximum collapse stress in the bearing (on the working surface of the heel or shank):

2100:37,7=55,7 Н/мм².2100: 37.7 = 55.7 N / mm ² .

Запас прочности, при допускаемом напряжении на смятие 662 Н/мм², составитSafety margin, with a permissible stress on the collapse of 662 N / mm ²

662: 55,7=11,9,662: 55.7 = 11.9,

что достаточно.which is enough.

Для обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей пяты и хвостовика подвергаем их карбонитрации, что повышает твердость этих поверхностей до 56 HRC, т.е. до величины, близкой к твердости поверхности шарика.To ensure high wear resistance of the working surfaces of the heel and shank, we subject them to carbonitration, which increases the hardness of these surfaces to 56 HRC, i.e. to a value close to the hardness of the surface of the ball.

Приведенный пример реализации предлагаемой конструкции 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. Применение такой буровой коронки позволит при прочих равных условиях повысить ее ресурс не менее чем в 1,5 раза, увеличить механическую скорость и снизить энергоемкость процесса бурения.The given example of the implementation of the proposed design of the 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. The use of such a drill bit will allow, other things being equal, to increase its resource by at least 1.5 times, increase the mechanical speed and reduce the energy consumption of the drilling process.

Claims (1)

Буровая коронка, отличающаяся тем, что резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики, имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки, причем цилиндрические хвостовики державок, вместе с упирающимся в них упорным подшипником, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, входят в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси, и при этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика. Drill bit, characterized in that the cutters, the holders firmly connected with them, and the shanks made integral with the holders, have a cylindrical shape and a common axis of rotation, which is located on the average diameter of the end face of the crown body, moreover, the cylindrical shanks of the holders, together with those resting on them with a thrust bearing, with a minimum clearance and the possibility of rotation around its axis, they enter blind holes made from the end face of the crown body parallel to its axis, while the cutters are kept from falling out of their holes Godard steel ball, set through a side opening in the body of the crown at its end in the annular groove formed at the lower end of the shank.

Images