RU148333U1

RU148333U1 - DIAMOND CROWN FOR DRILLING

Info

Publication number: RU148333U1
Application number: RU2014132259/03U
Authority: RU
Inventors: Василий Иванович Спирин; Юрий Евдокимович Будюков; Вячеслав Васильевич Нескоромных; Павел Геннадьевич Петенев; Павел Сергеевич Пушмин; Владимир Валерьевич Кубасов
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2014-12-10

Abstract

1. Алмазная коронка для бурения, включающая корпус с резьбой, матрицу с алмазосодержащими секторами одной геометрической формы и промывочные каналы двух типов - узкий и широкий, отличающаяся тем, что на половине торца матрицы выполнены два широких промывочных канала, между которыми по разную от широких промывочных каналов сторону имеется неравное количество алмазосодержащих секторов.2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что меньшее число алмазосодержащих секторов, расположенных между широкими промывочными каналами, имеют более высокую твердость, чем остальные алмазосодержащие сектора матрицы, причем твердость этих секторов определяется соотношением F/F, где F- площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с узкими промывочными каналами, a F- площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с широкими промывочными каналами.1. Diamond core for drilling, including a threaded body, a matrix with diamond-containing sectors of the same geometric shape and two types of flushing channels - narrow and wide, characterized in that two wide flushing channels are made at the half of the matrix end, between which are different from the wide flushing side channels there is an unequal number of diamond-containing sectors. 2. The crown according to claim 1, characterized in that a smaller number of diamond-containing sectors located between wide flushing channels have a higher hardness than other diamond-containing sectors of the matrix, and the hardness of these sectors is determined by the ratio F / F, where F is the area of diamond-containing sectors in half the crown end with narrow washing channels, and F is the area of diamond-containing sectors at half the crown end with wide washing channels.

Description

Полезная модель относится к области бурения твердых анизотропных горных пород отбором керна. Необходимость данного технического решения определяется тем, что при бурении анизотропных горных пород наблюдается искривление скважин, что снижает эффективность буровых работ. В связи с этим важно иметь такой буровой инструмент, который бы позволил решать задачу снижения искривления скважин в анизотропных горных породах.The utility model relates to the field of drilling solid anisotropic rocks by coring. The need for this technical solution is determined by the fact that when drilling anisotropic rocks, curvature of the wells is observed, which reduces the efficiency of drilling operations. In this regard, it is important to have such a drilling tool that would solve the problem of reducing the curvature of wells in anisotropic rocks.

Для бурения скважин в твердых породах применяются различные типы алмазных коронок с кольцевой алмазосодержащей матрицей, разделенной на сектора промывочными пазами равных размеров (см., например, Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник / Н.И. Корнилов, Н.Н. Бухарев, А.Т. Киселев и др. М.: Недра, 1990, с. 52, 63, рис. 2.11, 2.12). Указанная коронка выполняется с матрицей, которая имеет определенную в зависимости от твердости и абразивности горных пород твердость алмазосодержащих секторов и их насыщенность алмазами. Как твердость секторов матрицы, так и насыщенность алмазами секторов матрицы выполняются одинаковыми. При изготовлении коронок насыщенность матрицы алмазами определяется по зависимости (см. там же стр. 72, 73):For drilling wells in hard rocks, various types of diamond crowns with an annular diamond matrix are used, divided into sectors by flushing grooves of equal sizes (see, for example, Drilling tool for exploration wells: Reference book / N.I. Kornilov, N.N. Bukharev, A .T. Kiselev et al. M .: Nedra, 1990, p. 52, 63, Fig. 2.11, 2.12). The specified crown is made with a matrix, which has a hardness of diamond-containing sectors and their saturation with diamonds, determined depending on the hardness and abrasiveness of the rocks. Both the hardness of the matrix sectors and the diamond saturation of the matrix sectors are the same. In the manufacture of crowns, the saturation of the matrix with diamonds is determined by the dependence (see ibid., P. 72, 73):

,

где N - насыщенность алмазами матрицы, %;\where N is the matrix diamond saturation,%; \

V₁ - объем алмазов в матрице, см³;V ₁ - the volume of diamonds in the matrix, cm ³ ;

V₂ - объем матрицы, см³.V ₂ - the volume of the matrix, cm ³ .

Насыщенность N матрицы алмазами может составлять для отечественных коронок 6,0; 5,7; 4,5%.The saturation of the N matrix with diamonds can be 6.0 for domestic crowns; 5.7; 4.5%.

Твердость матрицы определяется по методу Роквелла (HRc) и она может быть очень мягкая - HRc 10-20; 10-20 - мягкая; 25-30 - средней твердости; 30-35 - твердой и 50-55 очень твердой.The hardness of the matrix is determined by the Rockwell method (HRc) and it can be very soft - HRc 10-20; 10-20 - soft; 25-30 - medium hardness; 30-35 - hard and 50-55 very hard.

Недостатком данного аналога является его низкая эффективность как средства снижающего искривление скважин.The disadvantage of this analogue is its low efficiency as a means of reducing the curvature of wells.

За прототип принята алмазная коронка для компоновки бурового снаряда (№2078193 E21B 10/48, опубл. 27.04.1997 г.), содержащая цилиндрический корпус с резьбой и матрицу, насыщенную объемными и подрезными алмазами и разделенную на сектора промывочными пазами, причем один промывочный паз выполнен увеличенной ширины в сравнении с остальными, что обеспечивает наличие эксцентриситета торца матрицы. В коронке для компоновки бурового снаряда в соответствии с а.с.№2078193 для сохранения ресурса коронки предложено увеличить насыщенность алмазами примыкающих к широкому пазу секторов матрицы на 25%.For the prototype adopted a diamond crown for the assembly of the drill (No. 2078193 E21B 10/48, publ. 04/27/1997), containing a cylindrical body with a thread and a matrix, saturated with volume and cutting diamonds and divided into sectors by washing grooves, with one washing groove made of increased width in comparison with the rest, which ensures the presence of an eccentricity of the end face of the matrix. It was proposed to increase the saturation of diamonds adjacent to a wide groove of the matrix sectors by 25% in the crown for assembling the drill in accordance with AS No. 2078193 in order to preserve the resource of the crown.

Недостатком прототипа является нестабильность работы, так как наличие промывочного паза увеличенной ширины (90 центрального угла) приводит к перекосу коронки в направлении этого паза, что вызывает как перегрузку и неравномерный износ секторов примыкающих к широкому промывочному пазу, так и к повышенной деформации колонковой трубы над коронкой. В результате наблюдается снижение ресурса самой коронки и возрастает вероятность искривления ствола скважины.The disadvantage of the prototype is the instability of the work, since the presence of a washing groove of an increased width (90 central angles) leads to a distortion of the crown in the direction of this groove, which causes both overload and uneven wear of the sectors adjacent to the wide washing groove, and to increased deformation of the core pipe above the crown . As a result, there is a decrease in the resource of the crown itself and the likelihood of curving the wellbore increases.

При этом не учтено, что повышение ресурса нагруженных секторов матрицы можно получить не только за счет насыщенности алмазами, но и, безусловно, за счет повышения твердости самой матрицы.Moreover, it was not taken into account that an increase in the resource of the loaded sectors of the matrix can be obtained not only due to the saturation with diamonds, but also, of course, by increasing the hardness of the matrix itself.

Предлагаемая алмазная коронка содержит корпус с резьбой, матрицу с алмазосодержащими секторами одной геометрической формы и размеров, и промывочные пазы двух типов - узкий и широкий, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы.The proposed diamond crown contains a threaded housing, a matrix with diamond-containing sectors of the same geometric shape and size, and flushing grooves of two types - narrow and wide, which ensures the eccentricity of the end face of the matrix.

Согласно полезной модели на одной из половин торца матрицы коронки выполнены два широких промывочных паза, между которыми по разную от широких промывочных каналов сторону имеется неравное количество алмазосодержащих секторов. Узкие промывочные пазы разделяют сектора матрицы коронки по обе стороны от широких промывочных пазов.According to the utility model, two wide flushing grooves are made at one of the ends of the crown matrix, between which there is an unequal number of diamond-containing sectors on the side different from the wide flushing channels. Narrow wash grooves separate the sectors of the crown matrix on either side of the wide wash grooves.

При этом согласно полезной модели меньшее число алмазосодержащих секторов, расположенных между широкими промывочными пазами, имеет более высокую твердость, чем остальные алмазосодержащие сектора матрицы, причем твердость этих секторов определяется соотношением F_б/F_м, где F_б - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с узкими промывочными пазами, а F_м - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с широкими промывочными пазами. То есть, если коронка имеет твердость секторов матрицы 20 HRc, то меньшее число секторов между широкими промывочными пазами будут иметь твердость равную 20·F_б/F_м.Moreover, according to the utility model, a smaller number of diamond-containing sectors located between wide flushing grooves has a higher hardness than other diamond-containing sectors of the matrix, and the hardness of these sectors is determined by the ratio F _b / F _m , where F _b is the area of diamond-containing sectors at half the crown end with narrow flushing grooves, and F _m - the area of diamond-containing sectors at half the end of the crown with wide flushing grooves. That is, if the crown has a matrix sector hardness of 20 HRc, then fewer sectors between wide flushing grooves will have a hardness of 20 · F _b / F _m .

Таким образом, наличие двух широких промывочных пазов и алмазосодержащих секторов между широкими промывочными пазами, обеспечивая эксцентриситет торца матрицы, исключает какой-либо существенный перекос алмазной коронки при бурении, а значит и дополнительный изгиб колонкового набора.Thus, the presence of two wide flushing grooves and diamond-containing sectors between wide flushing grooves, ensuring the eccentricity of the end face of the matrix, eliminates any significant distortion of the diamond crown during drilling, and hence additional bending of the core set.

Увеличенная твердость меньшего числа алмазосодержащих секторов, расположенных между широкими промывочными каналами, сохраняют ресурс коронки на высоком уровне, так как данные сектора будут испытывать более значительные удельные нагрузки при бурении, когда на коронку оказывает действие осевое усилие.The increased hardness of a smaller number of diamond-containing sectors located between wide flushing channels keeps the crown resource at a high level, since these sectors will experience more significant specific loads when drilling, when the crown is exerted by axial force.

На фиг. 1 показана заявляемая в качестве полезной модели алмазная коронка для бурения.In FIG. 1 shows a diamond drill bit claimed as a utility model.

На фиг. 2 показана торцевая часть заявляемой алмазной коронки для бурения.In FIG. 2 shows the end part of the inventive diamond core for drilling.

На фиг. 3 показана схема торцевой части коронки, поясняющая принцип работы алмазной коронки при резании-скалывании породы алмазными резцами.In FIG. 3 shows a diagram of the end part of the crown, explaining the principle of operation of the diamond crown when cutting-chipping rocks with diamond cutters.

Предлагаемая коронка состоит из корпуса 1 с резьбой 2, алмазосодержащей матрицы, разделенной на сектора 3 и 4 промывочными пазами 5 и 6. Промывочные пазы 5 выполнены одного стандартного размера (шириной A), являются более узкими, а промывочные пазы 6 выполнены более широкими (шириной B), чем промывочные пазы 5. Ширина промывочных пазов 6 может быть различна в разных моделях коронки, но неизменно большей, чем ширина промывочных пазов 5. При этом пазы 6 расположены в матрице коронки таким образом, что обеспечивается эксцентриситет торца матрицы, а это достигается тем, что число секторов 3 и 4 по обе стороны от промывочных пазов 5 различно, например, с одной стороны от широких промывочных пазов 6 секторов 3 восемь, а с другой секторов 4 всего два (фиг. 2). Размер пазов 6 и их взаимное расположение на торце коронки задают величину эксцентриситета торца матрицы коронки.The proposed crown consists of a housing 1 with a thread 2, a diamond matrix, divided into sectors 3 and 4 by the washing grooves 5 and 6. The washing grooves 5 are made in one standard size (width A), are narrower, and the washing grooves 6 are made wider (width B) than the wash grooves 5. The width of the wash grooves 6 can be different in different models of the crown, but invariably larger than the width of the wash grooves 5. Moreover, the grooves 6 are located in the matrix of the crown in such a way that the end face of the matrix is eccentric, and this ostigaetsya in that the number of sectors 3 and 4 on both sides of the grooves 5 is different flushing, e.g., on the one hand from the broad flushing grooves 6 3 eight sectors, and the other two only sectors 4 (FIG. 2). The size of the grooves 6 and their relative position on the end face of the crown determine the amount of eccentricity of the end face of the crown matrix.

При этом сектора 4 имеют более высокую твердость, чем алмазосодержащие сектора 3, причем твердость секторов 4 определяется соотношением F_б/F_м, где F_б - площадь алмазосодержащих секторов 3 на половине торца коронки с узкими промывочными пазами 5, а F_м - площадь алмазосодержащих секторов 4 на половине торца коронки с широкими промывочными пазами 6.Moreover, sectors 4 have a higher hardness than diamond-containing sectors 3, and the hardness of sectors 4 is determined by the ratio F _b / F _m , where F _b is the area of diamond-containing sectors 3 at half the crown end with narrow flushing grooves 5, and F _m is the area of diamond-containing sectors 4 on the half of the end face of the crown with wide flushing grooves 6.

Предлагаемая коронка работает следующим образом.The proposed crown works as follows.

При бурении, когда алмазная коронка воспринимает действие осевого усилия, алмазы секторов матрицы 3 и 4 внедряются в горную породу. Поскольку в матрице имеется два широких промывочных паза 6, расположенных с одной стороны от торца матрицы, то торец матрицы имеет смещенный центр тяжести, что приводит к более значительному нагружению при действии осевого усилия на коронку секторов 4, в сравнении с секторами 3. При этом сектора 4 исключают перекос коронки до тех пор, пока эти сектора 4 не получат опережающего, в сравнении с секторами 3, износа. Именно с этой целью сектора 4 изготавливаются более твердыми. Наличие же эксцентриситета торца матрицы обеспечивает то, что при вращении коронки в процессе бурения будет задаваться вращение коронки вокруг оси скважины и исключается режим вращения с ориентированным перекосом коронки, при котором может происходить максимальное искривление ствола скважины (см. В.В. Нескоромных Направленное бурение и основы кернометрии: учеб. пособие для горно-геологических специальностей вузов / В.В. Нескоромных. - Иркутск: изд-во. ИрГТУ. - 2007, стр. 42, раздел 2.2.4).During drilling, when the diamond crown perceives the action of axial force, the diamonds of the matrix sectors 3 and 4 are embedded in the rock. Since the matrix has two wide flushing grooves 6 located on one side of the end of the matrix, the end of the matrix has a displaced center of gravity, which leads to more significant loading under the action of axial force on the crown of sectors 4, compared with sectors 3. Moreover, the sectors 4 exclude the distortion of the crown until these sectors 4 get advanced, in comparison with sectors 3, wear. It is for this purpose that sectors 4 are made harder. The presence of an eccentricity of the end face of the matrix ensures that during the rotation of the crown during drilling, the rotation of the crown around the axis of the well will be set and the rotation mode with oriented distortion of the crown will be excluded, at which maximum bore of the wellbore may occur (see V.V. Neskoromnykh Directional Drilling and the basics of coremetry: textbook for mining and geological specialties of universities / VV Neskoromnykh. - Irkutsk: publishing house ISTU. - 2007, p. 42, section 2.2.4).

Ориентированный перекос торца коронки, вызванный изгибом колонкового снаряда и действием дестабилизирующих сил и моментов сил, исключается при бурении предлагаемой коронкой следующим образом.Oriented skew of the end face of the crown, caused by the bending of the core projectile and the action of destabilizing forces and moments of force, is excluded when drilling the proposed crown as follows.

Торец коронки (фиг. 3) можно разделить на две части вдоль осевой линии O-O. Одна половина торца оснащена узкими стандартными промывочными пазами 5, которыми разделены сектора 3. Поскольку алмазы в секторах 3 распределены равномерно, то при бурении, когда на коронку оказывает действие осевое усилие и коронка вращается слева-направо, равнодействующая F₁ единичных сил резания-скалывания породы этой частью торца можно поместить в виде вектора в центре тяжести половины кольца матрицы. Равнодействующая сил - резания скалывания породы на второй половине торца коронки F₂ также может быть направлена из центра тяжести этой половины торца. При этом очевидно, что F₁>F₂ поскольку за счет наличия двух широких промывочных пазов 6 число алмазных резцов на этой половине торца коронки существенно меньше, чем на противоположной половине торца. В результате разность усилий резания приведет к появлению равнодействующей ΔF=F₁-F₂. Усилие ΔF на схеме (фиг. 3) будет располагаться в центре тяжести торца коронки, и ориентировано в сторону большей силы F₁.The end face of the crown (Fig. 3) can be divided into two parts along the center line of OO. One half of the end face is equipped with narrow standard flushing grooves 5, which divide sectors 3. Since the diamonds in sectors 3 are evenly distributed, when drilling, when the crown is exerted by axial force and the crown rotates from left to right, the resultant F _{1 of} unit cutting-shearing forces of the rock this part of the end can be placed in the form of a vector in the center of gravity of the half of the matrix ring. The resultant of the force - cutting rock chipping on the second half of the end face of the crown F ₂ can also be directed from the center of gravity of this half of the end face. It is obvious that F ₁ > F ₂ since, due to the presence of two wide flushing grooves 6, the number of diamond cutters on this half of the crown end face is significantly less than on the opposite half of the end face. As a result, the difference in cutting forces will result in the resultant ΔF = F ₁ -F ₂ . The force ΔF in the diagram (Fig. 3) will be located in the center of gravity of the end face of the crown, and oriented toward a larger force F ₁ .

Наличие силы ΔF приводит к тому, что коронка при бурении будет стремиться прижиматься к стенке скважины боковой стороной корпуса 1 и матрицы по направлению действия этой силы. В результате коронка даже под влиянием дестабилизирующих ее вращение сил и моментов сил, вызванных неравномерным разрушением анизотропной горной породы (см. В.В. Нескоромных Направленное бурение и основы кернометрии: учеб. пособие для горно-геологических специальностей вузов/ В.В. Нескоромных. - Иркутск: изд-во. ИрГТУ. - 2007, стр. 62-80, раздел 2.3.1.2) будет стремиться вращаться вокруг оси скважины, сохраняя контакт со стенкой скважины своей боковой поверхностью под действием силы ΔF. В этом случае целесообразно корпус 1 коронки над матрицей выполнить равных поперечных размеров для исключения фрезерования стенки скважины боковым вооружением матрицы коронки, а точки соприкосновения корпуса 1 со стенкой скважины защитить от излишнего изнашивания износостойким материалом, например типа ВК или PDC.The presence of force ΔF leads to the fact that the crown during drilling will tend to be pressed against the borehole wall with the side of the housing 1 and the matrix in the direction of this force. As a result, the crown even under the influence of forces and moments of force that destabilize its rotation caused by uneven destruction of anisotropic rock (see V.V. Neskoromnykh Directional Drilling and Core Measurement: a training manual for mining and geological specialties of universities / V.V. Neskoromnykh. - Irkutsk: publishing house ISTU. - 2007, pp. 62-80, section 2.3.1.2) will tend to rotate around the axis of the well, maintaining contact with the wall of the well with its lateral surface under the action of the force ΔF. In this case, it is advisable that the crown body 1 above the matrix be made of equal transverse dimensions to prevent milling of the borehole wall with lateral armament of the crown matrix, and protect the contact points of the casing 1 with the borehole wall from excessive wear by a wear-resistant material, for example, VK or PDC type.

Таким образом, заявляемая в качестве полезной модели алмазная буровая коронка будет при бурении обеспечивать вид вращения, который исключает ориентированный перекос и искривление скважины.Thus, the diamond drill bit declared as a utility model will provide a type of rotation during drilling that eliminates oriented skew and curvature of the well.

Величина усилия ΔF для определенной модели алмазной коронки будет зависеть от ширины промывочных пазов 6 таким образом, что по мере увеличения их ширины B (фиг. 2) данное усилие будет увеличиваться. В этом случае будет расти и способность коронки к нейтрализации дестабилизирующих работу коронки в анизотропных породах сил и моментов сил, вызванных неравномерным разрушением горной породы.The magnitude of the force ΔF for a specific model of the diamond crown will depend on the width of the flushing grooves 6 so that as their width B increases (Fig. 2), this force will increase. In this case, the ability of the crown to neutralize the forces destabilizing the work of the crown in anisotropic rocks of forces and moments of forces caused by the uneven destruction of the rock will also grow.

При работе коронки на забое, сектора 4 будут испытывать более высокие удельные нагрузки под влиянием осевого усилия. Именно поэтому сектора 4 предлагается изготавливать более твердыми, чем сектора 3 матрицы коронки. При этом твердость секторов 4 должна быть выше твердости секторов 3 в F_б/F_м раза, где F_б - площадь алмазосодержащих секторов 3 на половине торца коронки с узкими промывочными пазами 5, а F_м - площадь алмазосодержащих секторов 4 на половине торца коронки с широкими промывочными пазами 6.When the crown is working in the face, sectors 4 will experience higher specific loads under the influence of axial force. That is why sectors 4 are proposed to be made harder than sectors 3 of the crown matrix. In this case, the hardness of sectors 4 should be higher than the hardness of sectors 3 F _b / F _m times, where F _b is the area of diamond-containing sectors 3 at half the end of the crown with narrow flushing grooves 5, and F _m is the area of diamond-containing sectors 4 at half the end of the crown with wide flushing grooves 6.

Реализация предлагаемой коронки в промышленности позволит повысить эффективность бурения геологоразведочных скважин в твердой анизотропной горной породе.The implementation of the proposed crown in industry will improve the efficiency of drilling exploration wells in solid anisotropic rock.

Claims

1. Diamond core for drilling, including a threaded body, a matrix with diamond-containing sectors of the same geometric shape and two types of flushing channels - narrow and wide, characterized in that two wide flushing channels are made at the half of the matrix end, between which are different from the wide flushing side channels there is an unequal number of diamond-containing sectors.

2. The crown according to claim 1, characterized in that a smaller number of diamond-containing sectors located between wide flushing channels have a higher hardness than other diamond-containing sectors of the matrix, and the hardness of these sectors is determined by the ratio F _b / F _m , where F _b - the area of diamond-containing sectors at half of the crown end with narrow flushing channels, and F _m - the area of diamond-containing sectors at half of the crown end with wide flushing channels.