EA021932B1 - Твердосплавная вставка для бурового долота для ударного бурения и способ заточки твердосплавной вставки - Google Patents

Abstract

Изобретением является твердосплавная вставка (1) в буровое долото для ударного бурения, содержащая наконечник (2), который представляет собой изнашиваемую часть, содержащую поверхность (2а) износа, и цилиндрическую часть (3), представляющую собой опору с площадью (А) поперечного сечения и диаметром (D). Наконечник (2) содержит переднюю часть (4) с удлинением (Н) вдоль оси (х) симметрии вставки от первой точки (а) на поверхности (2а) износа наконечника до второй точки (b) в наконечнике. Передняя часть (4) формирует объем (Vf) между первой плоскостью (I), которая пересекает под прямым углом ось (х) симметрии в первой точке (а), и второй плоскостью (II), которая пересекает под прямым углом ось (х) симметрии во второй точке (b). Объем (Vf) является большим или равным 0,6 от произведения площади (Af) поперечного сечения передней части во второй плоскости и расстояния (Н) вдоль оси (х) симметрии между первой точкой (а) и второй точкой (b), и диаметр (Df) передней части во второй плоскости является большим или равным 0,5 от диаметра (D) опоры и меньшим или равным 0,6 от диаметра (D) опоры. Изобретение также относится к способу перезатачивания изношенной вставки.

Description

Настоящее изобретение относится к твердосплавной вставке, буровому долоту, содержащему по меньшей мере одну твердосплавную вставку, и способу перезатачивания изношенной вставки.

Известный уровень техники

Буровые долота, содержащие несколько твердосплавных вставок, используют для ударного бурения. Назначением твердосплавных вставок является получение трещин в горной породе, в которой бурят ствол скважины во время повторяющихся ударов по буровому долоту.

Твердосплавная вставка состоит из наконечника, цилиндрической части и нижней части. Наконечник представляет собой часть, которая изнашивается, а цилиндрическая часть вместе с нижней частью представляет собой поверхность контакта вставки с буровым долотом. Наконечник может иметь любую одну из нескольких форм, таких как сферическая, полубаллистическая или полностью баллистическая. Ориентация твердосплавной вставки относительно оси симметрии бурового долота является различной в зависимости от местоположения вставки в буровом долоте.

Наконечник вставки изнашивается во время бурения, и при этом его форма изменяется. Зона вставки, изношенная во время бурения, образует поверхность, именуемую ниже фаза износа. Зона вставки, выступающая из бурового долота и подверженная износу, именуется ниже как поверхность износа.

Когда износ проходит до получения площади фазы износа, составляющей порядка 25% площади сечения цилиндрической части вставки, является целесообразным восстановление вставки до ее исходной формы с наконечником с помощью затачивания. Часть наконечника расходуется по высоте во время бурения в результате износа, и, таким образом, общая длина вставки становится меньше во время каждого этапа бурения.

Существует прямая корреляция между глубиной проходки и размером поверхности контакта между вставкой и горной породой, а также прямая корреляция между глубиной проникновения и величиной силы в ударной волне.

Для вставки, имеющей одинаковую исходную форму, требуется больше мощности для забивания сравнительно более изношенной вставки на заданное расстояние в горную породу, чем требуется для забивания менее изношенной твердосплавной вставки. Это означает, что требуется сравнительно больше времени и усилия для бурения ствола скважины данной протяженности буровым долотом, содержащим изношенные твердосплавные вставки.

Это означает, что буровое долото вдавливается в горную породу на различные глубины в зависимости от степени изношенности его вставок, т.е. в зависимости от величины поверхности контакта между вставкой и горной породой. Увеличенная площадь контакта приводит к уменьшенному проникновению в горную породу. Таким образом, скорость бурения, которая определяется как длина ствола скважины, пробуренного за единицу времени, должна падать во время этапа бурения, выполняемого одним буровым долотом и вставками. Таким образом, одна из причин перезатачивания вставок состоит в обеспечении относительно высокой скорости бурения во время всего срока эксплуатации долота.

Твердосплавную вставку можно перезатачивать несколько раз, возвращая исходную форму наконечника. Возможное число раз перезатачивания вставки зависит от многих факторов, включающих в себя длину вставки, высоту наконечника и требуемую величину поверхности контакта между вставкой и буровым долотом.

Срок службы бурового долота зависит от скорости износа твердосплавной вставки, измеренной как уменьшение длины вставки на погонный метр пробуренного ствола скважины. Себестоимость бурения стволов скважин в горной породе зависит от срока службы бурового долота, следовательно, в свою очередь, от уменьшения длины вставок, являющихся компонентами долота, на погонный метр пробуренного ствола скважины.

Существует необходимость создания твердосплавных вставок, которые можно перезатачивать для оптимизации себестоимости работ для ударного бурения стволов скважин в горной породе.

Сущность изобретения

Одной целью настоящего изобретения является создание твердосплавной вставки, использование которой является экономически предпочтительным для ударного бурения. Второй целью настоящего изобретения является создание способа перезатачивания до требуемой формы твердосплавных вставок для ударного бурения в горной породе.

Согласно первому аспекту изобретения данная цель достигается твердосплавной вставкой, предназначенной для установки в буровое долото для ударного бурения. Твердосплавная вставка содержит наконечник, который представляет собой изнашиваемую часть, содержащую поверхность износа, и цилиндрическую часть, которая представляет собой опору с площадью А поперечного сечения и диаметром Ό. Наконечник содержит переднюю часть с удлинением Н вдоль оси х симметрии вставки от первой точки на поверхности износа наконечника до второй точки в наконечнике. Передняя часть формирует объем VI между первой плоскостью I, которая пересекает под прямым углом ось симметрии в первой точке, и второй плоскостью II, которая пересекает под прямым углом ось симметрии во второй точке.

Передняя часть 4 формирует объем VI между первой плоскостью I, которая пересекает под прямым углом ось х симметрии в первой точке, и второй плоскостью II, которая пересекает под прямым углом

- 1 021932 ось х симметрии во второй точке Ь.

Величина цилиндрического объема V, который описывает передняя часть 4, может определяться следующей формулой:

ν=ΑίχΗ, где АТ - площадь поперечного сечения передней части на второй плоскости II и

Н - расстояние вдоль оси х симметрии между первой точкой а и второй точкой Ь.

Отношение νί/ν является объемным отношением, определяющим относительную величину части объема цилиндра, занятой передней частью.

Согласно изобретению вставка имеет переднюю часть с некоторой протяженностью вдоль оси симметрии вставки и некоторый объем. Объемное отношение, определенное выше согласно изобретению, обеспечивает переднюю часть, образующую сравнительно тупую поверхность износа.

Вставка, имеющая конструктивное исполнение с объемным отношением, определенным выше, больше или равным 0,6, имеет сравнительно большой объем твердосплавного материала в передней части наконечника, т.е. части, проникающей в горную породу и разрушающей породу.

Это имеет место при условии, что площадь Όί поперечного сечения передней части во второй плоскости II имеет следующее соотношение с диаметром Ό опор

0,5χΌ<Όί<0,6χΌ где Όί - диаметр сечения передней части.

Каждая индивидуальная вставка в буровом долоте имеет поверхность контакта с горной породой во время бурения.

Общая поверхность контакта между вставкой в буровом долоте и горной породой определяет расстояние, на которое долото может вдавливаться в горную породу некоторой силой. Требования по прочности вставок и сопротивлению износу вставок принципиально зависят от расстояния, на которое вставки вдавливаются в горную породу, и длины, на которой поверхность контакта расположена вдоль любой конкретной вставки.

Сравнительно большая поверхность контакта для вставки в буровое долото, выполненной, как описано выше, обеспечивает сравнительно более долгий срок службы во время бурения. Точечная поверхность контакта, таким образом, изнашивается больше, чем поверхность контакта, имеющая некоторую протяженность.

Поверхность контакта, описанная выше, инициирует зону разрушения в горной породе. Целью при бурении является создание зоны разрушения в горной породе больше объема или площади контакта вставки, вдавливаемой в горную породу. Зона разрушения зависит частично от площади контакта.

Цель разработки бурового долота согласно изобретению, среди других целей, состоит в достижении общей зоны разрушения в горной породе с помощью вставки согласно изобретению, которая должна приводить к разрушению в стволе большего диаметра, чем максимальный диаметр бурового долота.

Зона разрушения зависит от того, является ли горная порода, например, твердой, мягкой, вязкой, хрупкой или проницаемой по трещинам или имеет комбинацию данных свойств.

Сравнительно большая зона разрушения обеспечивает в результате больший объем выработанной горной породы для каждого удара или ударной волны. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность бурения ствола скважины большего размера с помощью вставки и бурового долота.

Вставки, разработанные согласно объемному отношению νί/ν, определенному выше, обеспечивают возможность создания, по существу, постоянной поверхности контакта между вставкой и горной породой во время операции бурения. Это обеспечивает в результате сравнительно небольшое изменение в глубине проникновения в горную породу и незначительно изменяющуюся скорость бурения, т.е. длину ствола скважины, пробуренную за единицу времени.

Большее количество твердого сплава в передней части наконечника обеспечивает более длительное время работы вставок между операциями перезатачивания и, таким образом, увеличенный срок службы. Это, в свою очередь, обеспечивает буровое долото со сравнительно более долгим сроком службы, что уменьшает стоимость на один погонный метр пробуренного ствола скважины.

Дополнительно к этому, большее количество твердосплавного материала в передней части наконечника обеспечивает возможность замены имеющихся вставок на вставки с меньшим диаметром, таким образом, получая больше пространства для каждой вставки, что должно увеличивать скорость бурения и сокращать время, требуемое для строительства скважин.

В альтернативном варианте изобретения предложена передняя часть с поверхностью износа, содержащая первую и вторую сферическую часть. Второй альтернативный вариант изобретения предлагает переднюю часть с поверхностью износа, представляющую собой, по существу, плоскую переднюю часть и сферическую часть. В дополнительном альтернативном варианте изобретения предложена передняя часть с поверхностью износа, представляющей собой, по существу, плоскую переднюю часть и коническую часть.

Все альтернативные варианты изобретения обеспечивают пониженный износ по высоте вставки согласно изобретению для данного объема стирания твердосплавного материала вставки во время бурения

- 2 021932 в сравнении с известными вставками. Термин износ по высоте использован в данном контексте для обозначения уменьшения протяженности передней части, являющейся компонентом наконечника вдоль оси симметрии вставки.

В одном варианте изобретения диаметр Όί передней части равен 0,5 или 0,6 от диаметра Ό опоры.

Согласно второму аспекту изобретения его цель достигается предложенным способом затачивания вставки для ударного бурения, содержащей не только наконечник, который составляет изнашиваемую часть, содержащую поверхность износа, но также цилиндрическую часть, которая представляет собой опору с площадью А поперечного сечения и диаметром Ό. Способ содержит затачивание наконечника и выполнение передней части с удлинением Н вдоль оси симметрии вставки от первой точки на поверхности износа наконечника до второй точки в наконечнике так, что передняя часть формирует объем между первой плоскостью, которая пересекает под прямым углом ось симметрии в первой точке, и второй плоскостью, которая пересекает под прямым углом ось симметрии во второй точке. Величина объема равна 0,6 от произведения площади Αί поперечного сечения передней части во второй плоскости II и расстоянию Н вдоль оси симметрии между первой точкой а и второй точкой Ь. Диаметр Όί передней части во второй плоскости больше или равен 0,5 от диаметра Ό монтажной опоры и меньше или равен 0,6 от диаметра Ό монтажной опоры, при этом объем νί передней части соответствует наименьшему возможному объему твердосплавного материала, предназначенному для потери при износе во время бурения, перед перезатачиванием вставки.

Тупая форма, как определено выше, передней части наконечника способствует уменьшению необходимой потери массы при перезаточке вставки для восстановления формы последней. В сравнении с известными вставками, такими как сферическая, полностью баллистическая и полубаллистическая вставка согласно изобретению выполнена так, что в ней присутствует больший объем твердосплавного материала, подлежащего стиранию перед тем, как требуется перезатачивание. Длина Н вставки, которая должна или может стираться перед операцией перезатачивания, сравнительно короче, чем соответствующая длина, например, в полубаллистической или стандартной вставке. Вставка согласно изобретению должна укорачиваться во время каждой операции перезатачивания меньше по сравнению с обычной вставкой. Буровое долото, в котором вставка установлена, должно, следовательно, иметь увеличенный срок службы.

Фактором, ограничивающим число операций перезатачивания, является минимальная длина вставки, требуемая для функциональной установки в буровое долото. Высота наконечника также является фактором, ограничивающим возможное число операций перезатачивания.

Краткое описание чертежей

Приложенные чертежи выполнены без соблюдения масштаба.

На фиг. 1 показана твердосплавная вставка согласно изобретению.

На фиг. 2 показана передняя часть вставки фиг. 1.

На фиг. 3а показано буровое долото, содержащее по меньшей мере одну твердосплавную вставку согласно фиг. 1.

На фиг. 3Ь показаны поверхности контакта между вставкой и горной породой во время бурения альтернативным буровым долотом.

На фиг. 4-6 показаны альтернативные варианты осуществления вставки согласно изобретению.

На фиг. 7 показана вставка согласно фиг. 1, изношенная до некоторой степени.

На фиг. 8 показан с увеличением наконечник вставки фиг. 7.

На фиг. 9 схематично показано представление затачивающего тела.

На фиг. 10 показана известная полубаллистическая вставка.

На фиг. 11 показана передняя часть вставки фиг. 10.

На фиг. 12 показана вставка согласно фиг. 11, изношенная до некоторой степени.

На фиг. 13 показан с увеличением наконечник вставки фиг. 12.

Подробное описание альтернативных вариантов осуществления

Твердосплавная вставка 1 согласно изобретению, показанная на фиг. 1, содержит наконечник 2, который представляет собой изнашиваемую часть, содержащую поверхность 2а износа, и цилиндрическую часть 3 с диаметром Ό и площадью А поперечного сечения. Наконечник 2 содержит переднюю часть 4 с удлинением Н вдоль оси х симметрии вставки от первой точки а на поверхности 2а износа наконечника до второй точки Ь в наконечнике.

Плоскость II на фиг. 2 пересекает наконечник 2 в точке Ь на оси х симметрии, и поперечное сечение Αί наконечника 2 является кругом с диаметром Όί. Диаметр Όί поперечного сечения вставки, показанной на фиг. 2, установлен равным половине диаметра Ό цилиндрической части. Поверхность 4а износа передней части составляет часть поверхности 2а износа наконечника.

Идеальная вставка является цилиндрической вставкой, т.е. вставкой, имеющей переднюю часть с объемным отношением νί/ν, определенным выше, равным 1. Такую вставку нет необходимости перезатачивать, поскольку она имеет постоянную глубину проникновения. Проблема состоит в том, что при этом диаметр вставки должен быть равен половине диаметра вставки, используемой в настоящее время, так площадь не становится слишком большой, поскольку ударная волна должна иметь достаточную силу

- 3 021932 для вдавливания вставки в горную породу. Такая цилиндрическая вставка не будет способна выдерживать механическую нагрузку.

На фиг. 3а показано буровое долото 6, содержащее несколько твердосплавных вставок 1 согласно изобретению.

На фиг. 3Ь показана поверхность 18 контакта между индивидуальными вставками в буровых долотах и горной породой (не показано на чертеже) в альтернативном буровом долоте при некоторой глубине проникновения. На фиг. 3Ь показано, что размеры и формы поверхности 18 контакта отличаются в зависимости от местоположения вставки в буровом долоте и угла оси симметрии вставки относительно оси симметрии бурового долота.

Ориентация твердосплавной вставки в буровом долоте значительно отличается в зависимости от типа и размера бурового долота и местоположения вставки в буровом долоте. Одним способом описания ориентации является определение угла У2, который является углом между осью симметрии/продольной осью вставки и осью симметрии/продольной осью бурового долота.

Твердосплавная вставка согласно настоящему изобретению имеет угол У2, находящийся в интервале от 0 до 45°.

Одним преимуществом настоящего изобретения является то, что твердосплавная вставка согласно фиг. 1, выполненная с углом У2 так, что угол согласован с периферийным углом бурового долота, имеет сравнительно более значительную площадь, находящуюся в контакте со стенкой ствола скважины. Более значительная площадь контакта со стенкой ствола скважины в горной породе приводит к уменьшению износа по диаметру бурового долота. Угол У2 в данном варианте составляет приблизительно 35°.

На фиг. 4 показан вариант осуществления вставки, содержащей переднюю часть с формой, выполненной, как описано выше, и называемой тупое долото. Передняя часть 2 имеет поверхность 2а износа, которая содержит первую сферическую часть 7 с радиусом КТ и вторую сферическую часть 8 с радиусом К2, где радиус К1 больше радиуса К2.

На фиг. 5 показан альтернативный вариант осуществления вставки согласно изобретению с передней частью 4, содержащей плоскую переднюю поверхность 9 и коническую часть 10 между передней поверхностью 9 и цилиндрической частью 3. Передняя часть в данном варианте осуществления совпадает с наконечником.

На фиг. 6 показан альтернативный вариант осуществления вставки согласно изобретению с передней частью 4, содержащей плоскую переднюю поверхность 11 и сферическую часть 12 между передней поверхностью 11 и наконечником 2.

На фиг. 7 показана вставка согласно изобретению, изношенная до такой степени, что диаметр Петеаг поверхности 5 износа составляет 50% диаметра Ό цилиндрической части.

На фиг. 8 показан наконечник вставки 1 с поверхностью 2а износа, изношенной до степени, аналогичной показанной на фиг. 7. Во время перезатачивания вставки с восстановлением исходной формы происходит удаление объема Удпп. как показано штриховкой на чертеже. Чертеж ясно показывает, что на протяженность наконечника вдоль оси симметрии вставки операция перезатачивания не влияет.

На длину вставки операция перезатачивания не должна влиять на то, что часть рабочего объема вставки стачивают для придания необходимой формы вставке.

На фиг. 9 показано затачивающее тело 13 с осью вращения Υ, предназначенное для использования в заточном станке (не показано на чертеже). Затачивающее тело содержит паз 14, выполненный с возможностью приспособления к твердосплавной вставке фиг. 1. Частью инновационной концепции изобретения является то, что затачивающий валик выполнен совместимым с альтернативными вариантами твердосплавной вставки согласно изобретению.

На фиг. 10-14 показано известное решение в форме стандартной полубаллистической вставки. На фиг. 10 показана не работавшая полубаллистическая вставка 14, содержащая наконечник 15, цилиндрическую часть 16 и нижнюю часть 17. На фиг. 11 показана передняя часть 15а вставки 14 фиг. 10. В сравнении с показанным на фиг. 2 соответствующая плоскость II пересекает наконечник 15 в точке Ь на оси х симметрии и сечение Лхепп наконечника 15 является кругом с диаметр ЭГхетк Диаметр ОГхепп сечения вставки, показанный на фиг. 11, установлен равным половине диаметра Эхеиа цилиндрической части.

Вычисление объемного отношения согласно изобретению для вставки 14 дает сравнительно низкую величину. Передняя часть вставки 14, таким образом, содержит сравнительно меньше объема твердосплавного материала, подлежащего стиранию перед перезатачиванием. Расстояние вдоль оси х симметрии между первой точкой а и второй точкой Ь сравнительно больше. Данная вставка подлежит перезаточке после стирания меньшего объема твердосплавного материала, т.е. более часто, чем вставка согласно настоящему изобретению.

На фиг. 12 показана известная полубаллистическая вставка техники, изношенная до такой степени, что диаметр О\уеаг5епп поверхности 15а износа 15а составляет 50% диаметра Эхеиа цилиндрической части.

На фиг. 13 показан наконечник вставки 14 с поверхностью 14а износа, изношенной до степени, аналогичной показанной на фиг. 12. Во время перезатачивания вставки с приданием исходной формы происходит удаление объема УхПрхетк как показано штриховкой на чертеже. Чертеж ясно показывает, что

- 4 021932 на протяженность наконечника вдоль оси симметрии вставки операция перезатачивания не влияет. Больший объем твердого металла должен теряться при заточке во время каждой операции перезатачивания с приданием исходной формы, чем при перезатачивании вставки согласно настоящему изобретению.

Claims (8)

1. Твердосплавная вставка (1) для бурового долота для ударного бурения, содержащая наконечник (2), представляющий собой изнашиваемую часть, содержащую поверхность (2а) износа, и цилиндрическую часть (3), представляющую собой опору с площадью (А) поперечного сечения и диаметром (Ό), отличающаяся тем, что изнашиваемая часть (2) содержит переднюю часть (4) с удлинением (Н), проходящим вдоль оси (х) симметрии вставки от первой точки (а) на поверхности (2а) износа наконечника до второй точки (Ь) в наконечнике, при этом передняя часть (4) формирует объем (VI) между первой плоскостью (I), пересекающей под прямым углом ось (х) симметрии в первой точке (а), и второй плоскостью (II), пересекающей под прямым углом ось (х) симметрии во второй точке (Ь), причем объем (VI) является большим или равным 0,6 от произведения площади (АТ) поперечного сечения передней части во второй плоскости и расстояния (Н) вдоль оси (х) симметрии между первой точкой (а) и второй точкой (Ь), и диаметр (ΌΓ) передней части во второй плоскости является большим или равным 0,5 от диаметра (Ό) опоры и меньшим или равным 0,6 от диаметра (Ό) опоры.

2. Твердосплавная вставка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (2а) износа состоит из верхней сферической части (7) и нижней части в виде поверхности усеченной сферы (8).

3. Твердосплавная вставка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (2а) износа состоит из верхней плоской части (11) и нижней части (12) в виде усеченной сферы (8).

4. Твердосплавная вставка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (2а) износа состоит из верхней плоской части (9) и нижней конической части (10).

5. Твердосплавная вставка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр (Όί) передней части равен 0,5 от диаметра (Ό) опоры.

6. Твердосплавная вставка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр (Όί) передней части равен 0,6 от диаметра (Ό) опоры.

7. Твердосплавная вставка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что является перезатачиваемой.

8. Способ изготовления твердосплавной вставки для бурового долота для ударного бурения по п.1, в котором затачивают наконечник таким образом, что передняя часть (4) выполнена с удлинением (Н), проходящим вдоль оси (х) симметрии вставки от первой точки (а) на поверхности (2а) износа наконечника до второй точки (Ь) в наконечнике, при этом передняя часть (4) формирует объем (VI) между первой плоскостью (I), пересекающей под прямым углом ось (х) симметрии в первой точке (а), и второй плоскостью (II), пересекающей под прямым углом ось (х) симметрии во второй точке (Ь), причем объем (VI) равен 0,6 от произведения площади (АТ) поперечного сечения передней части во второй плоскости и расстояния (Н) вдоль оси (х) симметрии между первой точкой (а) и второй точкой (Ь), и диаметр (ΌΓ) передней части во второй плоскости является большим или равным 0,5 от диаметра (Ό) опоры и меньшим или равным 0,6 от диаметра (Ό) опоры, и объем (VI) передней части соответствует минимальному объему твердого сплава, предназначенному для стирания во время бурения перед перезаточкой вставки.