RU2055143C1

RU2055143C1 - Diamond drill bit

Info

Publication number: RU2055143C1
Authority: RU
Inventors: Р.К. Богданов; В.А. Ляшко; А.М. Исонкин; М.М. Потемкин
Original assignee: Институт сверхтвердых материалов АН Украины
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1996-02-27

Abstract

FIELD: well drilling. SUBSTANCE: diamond drill bit has body and diamond-containing matrix secured to body and separated into sectors by water courses. Inclined side surfaces of water courses in plane square to drill bit axis are located at angle to each other. Water courses are made of two parts: external and internal parts. Internal parts are formed by side surfaces parallel to drill bit radius running through the middle of water course. Side surfaces cross inclined side surfaces of the external parts of water course. Diamond count on cutting line of drill bit internal diameter corresponds to diamond count on cutting line of its external diameter. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к бурению геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые. The invention relates to the drilling of exploration wells for solid minerals.

Известны конструкции алмазных буровых коронок, содержащие корпус и разделенные промывочными пазами рабочие секторы, армированные алмазами, передняя и задняя грани которых образуют угол (авт.св. СССР N 1135892, кл. E 21 B 10/48). There are known designs of diamond drill bits containing a body and working sectors separated by flushing grooves, reinforced with diamonds, the front and rear faces of which form an angle (ed. St. USSR N 1135892, class E 21 B 10/48).

Недостатком таких коронок является низкая износостойкость, обусловленная ускоренным износом матрицы по высоте на внутреннему диаметре, что объясняется меньшим, по сравнению с наружным диаметром числом алмазных зерен на линии резания. The disadvantage of such crowns is low wear resistance, due to accelerated wear of the matrix in height on the inner diameter, which is explained by a smaller number of diamond grains on the cutting line compared to the outer diameter.

Наиболее близкой к предлагаемой является алмазная буровая коронка [1] включающая корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными пазами, боковые поверхности которых параллельны оси коронки, причем боковые поверхности промывочных пазов в плоскости, пеpпендикулярной оси коронки, образуют между собой угол, обеспечивающий постоянство числа алмазных зерен в линии резания. Closest to the proposed one is a diamond drill bit [1] comprising a housing and a diamond-containing matrix fixed to it, divided into sectors by flushing grooves, the side surfaces of which are parallel to the axis of the crown, and the side surfaces of the flushing grooves in a plane perpendicular to the axis of the crown form an angle between themselves, providing a constant number of diamond grains in the cutting line.

β= 2arctg

(1) где D, d наружный и внутренний диаметры коронок соответственно, мм;
L ширина промывочного паза, мм;
m число секторов.β = 2arctg

(1) where D, d are the outer and inner diameters of the crowns, respectively, mm;
L the width of the washing groove, mm;
m is the number of sectors.

Коронка работает следующим образом. The crown works as follows.

С помощью присоединительной резьбы алмазная буровая коронка привинчивается к колонковому набору, который приводится во вращение от бурового станка за счет передачи крутящего момента через колонку бурильных труб. Кроме того, через бурильную колону передаются осевая нагрузка и промывочная жидкость. При этом алмазосодержащая матрица воздействует на горную породу и разрушает ее. Образующийся буровой шлам изнашивает материал матрицы и обнажает объемные алмазы, располагающиеся в матрице, обеспечивая постоянную механическую скорость бурения при постоянных режимах бурения. Благодаря конструкции промывочных пазов, боковые поверхности которых образуют угол β, обеспечивается при любом значении текущего радиуса длина линии резания, при которой единичные алмазы имеют одинаковую величину углубки по всей ширине алмазоносного слоя сектора и, как следствие, образуют одинаковую по размеру фракцию шлама горной породы. Это уравнивает интенсивность изнашивания матрицы коронки по всей ширине, что позволяет отрабатывать объемный слой матрицы по всей высоте. Using the connecting thread, the diamond drill bit is screwed to the core set, which is rotated from the drill rig by transmitting torque through the drill pipe string. In addition, axial load and flushing fluid are transmitted through the drill string. In this case, the diamond-containing matrix acts on the rock and destroys it. The resulting drill cuttings wears out the matrix material and exposes the bulk diamonds located in the matrix, providing a constant mechanical drilling speed under constant drilling conditions. Due to the design of the flushing grooves, the lateral surfaces of which form an angle β, a cutting line length is provided for any value of the current radius, at which single diamonds have the same depth in the entire width of the diamondiferous layer of the sector and, as a result, form a rock cuttings of the same size. This equalizes the wear rate of the matrix of the crown over the entire width, which allows you to work out the bulk layer of the matrix over the entire height.

Недостатком известной алмазной буровой коронки является узкая номенклатура инструмента, в котором за счет выбора угла наклона боковых стоpон промывочного паза может быть обеспечено равенство числа алмазных зерен в линии резания в пределах площади всего сектора, а значит и достижение положительного эффекта. A disadvantage of the known diamond drill bit is the narrow nomenclature of the tool, in which by choosing the angle of inclination of the sides of the washing groove, the number of diamond grains in the cutting line can be ensured within the area of the entire sector, which means achieving a positive effect.

Это объясняется тем, что лимитирующим фактором становится ширина промывочного паза в основании сектора, сужение которого приводит к недостаточной циркуляции промывочной жидкости под торцом коронки, а значит, к зашламованию, снижению скорости бурения и т.д. This is explained by the fact that the width of the flushing groove at the base of the sector becomes the limiting factor, the narrowing of which leads to insufficient circulation of the flushing fluid under the crown end, and therefore to sludge, lower drilling speed, etc.

Цель изобретения расширение числа типоразмеров буровых коронок, содержащих равное число алмазных зерен в линии резания. The purpose of the invention is the expansion of the number of sizes of drill bits containing an equal number of diamond grains in the cutting line.

Цель достигается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на секторы промывочными пазами, боковые поверхности которых в плоскости, перпендикулярной оси коронки, образуют между собой угол β, число алмазов на линии резания по внутреннему диаметру коронки соответствует числу зерен на линии резания по ее наружному диаметру, промывочные пазы выполнены из двух частей наружных и внутренних, при этом последние образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, которые пересекаются с наклонными боковыми поверхностями наружных частей промывочного паза. The goal is achieved in that in a diamond drill bit that includes a body and a diamond-containing matrix fixed to it, divided into sectors by flushing grooves, whose lateral surfaces in the plane perpendicular to the axis of the crown form an angle β between themselves, the number of diamonds on the cutting line along the inner diameter of the crown corresponds to the number of grains on the cutting line along its outer diameter, the flushing grooves are made of two parts, external and internal, while the latter are formed parallel to the radius of the crown passing through eredinu flushing groove side surfaces which intersect the angled side surfaces of the outer parts of the flushing groove.

На фиг.1 представлена схема алмазной буровой коронки; на фиг.2 то же, со стороны рабочего торца алмазосодержащей матрицы. Figure 1 presents a diagram of a diamond drill bit; figure 2 is the same, from the side of the working end of the diamond-containing matrix.

Алмазная буровая коронка состоит из корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 2, присоединительной резьбы 3 и промывочных пазов 4. Промывочные пазы выполнены из двух частей: наружных и внутренних. Наружные части промывочных пазов имеют наклонные боковые поверхности. Внутренние части пазов образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, пересекающимися с боковыми поверхностями наружных частей пазов. При этом наклонные стороны образуют угол β а параллельные расположены на расстоянии l. Вследствие этого сектор буровой коронки оказывается состоящим из двух частей, однако условие равенства числа алмазных зерен в линии резания выполняется в пределах всего сектора. Причем в части сектора 5 это условие удовлетворяется за счет наклона на угол β сторон смежных с сектором промывочных пазов, а в части сектора 6 за счет повышенной концентрации алмазного порошка. Увеличение ширины промывочного паза в основании сектора обеспечивает (по сравнению с прототипом) при тех же конструктивных размерах более интенсивную циркуляцию промывочной жидкости. The diamond drill bit consists of a housing 1, a diamond-containing matrix 2, a connecting thread 3 and a flushing groove 4. The flushing grooves are made of two parts: external and internal. The outer parts of the washing grooves have inclined lateral surfaces. The inner parts of the grooves are formed parallel to the radius of the crown passing through the middle of the flush groove, the side surfaces intersecting with the side surfaces of the outer parts of the grooves. In this case, the inclined sides form an angle β and the parallel ones are located at a distance l. As a result, the sector of the drill bit turns out to be in two parts, however, the condition for the equality of the number of diamond grains in the cutting line is fulfilled within the entire sector. Moreover, in part of sector 5, this condition is satisfied due to the inclination at an angle β of the sides of the washing grooves adjacent to the sector, and in part of sector 6 due to the increased concentration of diamond powder. The increase in the width of the washing groove at the base of the sector provides (compared with the prototype) with the same structural dimensions more intensive circulation of the washing liquid.

С помощью резьбы 3 алмазная буровая коронка присоединяется к колонковому набору (не показан), который приводится во вращение от бурового станка за счет передачи крутящего момента через колонну бурильных труб. Колонна бурильных труб передает также на инструмент осевую нагрузку и обеспечивает поступление промывочной жидкости на забой скважины. При этом алмазосодержащая матрица 2 воздействует на горную породу и разрушает ее. Образующийся буровой шлам изнашивает материал матрицы и обеспечивает поддержание постоянной механической скорости бурения. Благодаря предложенной конструкции промывочных пазов и алмазосодержащих секторов обеспечивается при любом значении текущего радиуса, так длина линии резания и такое число алмазов в них, при которых единичные алмазы имеют одинаковую величину углубки по всей ширине алмазоносного слоя сектора, и, как следствие, образуют одинаковую по размеру фракцию шлама горной породы. Using thread 3, a diamond drill bit is attached to a core set (not shown), which is rotated from the drill rig by transmitting torque through the drill pipe string. The drill pipe string also transfers axial load to the tool and ensures that flushing fluid enters the bottom hole. In this case, the diamond-containing matrix 2 acts on the rock and destroys it. The resulting drill cuttings wears out the matrix material and maintains a constant mechanical drilling speed. Due to the proposed design of the flushing grooves and diamond-containing sectors, it is ensured for any value of the current radius that the length of the cutting line and the number of diamonds in them are such that single diamonds have the same size of the recess along the entire width of the diamondiferous layer of the sector, and, as a result, form the same size rock sludge fraction.

По этим характеристикам предлагаемая конструкция алмазной буровой коронки не уступает коронке, выбранной за прототип. According to these characteristics, the proposed design of the diamond drill bit is not inferior to the crown selected for the prototype.

Однако увеличенная (по сравнению с прототипом) ширина промывочного канала у основания сектора позволяет обеспечить преимущества, присущие прототипу, для большей номенклатуры коронки, в частности, для буровой коронки наружным диаметром 59 мм, внутренним 42 мм и числом промывочных каналов 16. However, the increased (compared with the prototype) the width of the flushing channel at the base of the sector allows you to provide the advantages inherent in the prototype for a larger range of bits, in particular, for the drill bit with an outer diameter of 59 mm, an inner diameter of 42 mm and the number of flushing channels 16.

Выполненная в соответствии с конструкцией прототипа такая коронка имеет ширину промывочного паза по наружному диаметру 6 мм, а по внутреннему 3 мм, что недостаточно для нормальной циркуляции промывочной жидкости и приводит зашламовыванию рабочего торца, что требует снижения режимов бурения, т.е. не обеспечивает производительности бурения за счет равного числа зерен в линии резания. Such a crown, made in accordance with the design of the prototype, has a flush groove width of 6 mm in outer diameter and 3 mm in inner diameter, which is insufficient for normal circulation of the flushing liquid and leads to sludge of the working end, which requires a reduction in drilling conditions, i.e. It does not provide drilling performance due to the equal number of grains in the cutting line.

Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить величину промывочного канала в основании сектора до 4-5 мм. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить номенклатуру буровых алмазных коронок, в которых в пределах всей рабочей площади торца обеспечивается равенство алмазных зерен в линии резания. Using the present invention allows to expand the size of the washing channel at the base of the sector to 4-5 mm. Thus, the proposed technical solution allows to expand the range of diamond drill bits, in which the equality of diamond grains in the cutting line is ensured within the entire working area of the end face.

П р и м е р. Для сопоставления характеристик буровых коронок были изготовлены две буровыe коронки наружным диаметром 59 мм, внутренним 42 мм и числом промывочных каналов 16. Для оснащения объемного слоя были использованы синтетические алмазы АС80 зернистостью 250/200, для подрезного слоя сверхтвердый материал "твесал". Высота алмазного слоя была выбрана стандартной 4 мм. PRI me R. To compare the characteristics of the drill bits, two drill bits were made with an outer diameter of 59 mm, an inner 42 mm and the number of flushing channels 16. To equip the bulk layer, we used synthetic diamonds АС80 with a grain size of 250/200, for the undercutting layer the superhard material "hung out". The height of the diamond layer was selected as standard 4 mm.

При изготовлении буровой коронки, выбранной за прототип, объемный слой был изготовлен с концентрацией алмазов 125%
При изготовлении предлагаемой буровой коронки алмазоносную часть матрицы также оснащали алмазами зернистостью 250/200. При этом слой, образованный наклонными сторонами секторов, был выполнен со стандартной концентрацией 125% Концентрацию слоя, примыкающего к внутреннему диаметру, определяли в соответствии со способом (1) для буровой коронки, выполненной по конструкции прототипа, в котором стороны промывочных пазов образовали угол
β= 2arctg

при D 59 мм, d 42 мм, m 16 и ширине промывочных пазов l 3 мм по внутреннему диаметру и l₁ 6 мм о наружному диаметру.In the manufacture of the drill bit selected for the prototype, the bulk layer was made with a diamond concentration of 125%
In the manufacture of the proposed drill bit, the diamondiferous part of the matrix was also equipped with 250/200 diamonds. The layer formed by the inclined sides of the sectors was made with a standard concentration of 125%. The concentration of the layer adjacent to the inner diameter was determined in accordance with method (1) for a drill bit made according to the prototype design, in which the sides of the flush grooves formed an angle
β = 2arctg

with D 59 mm, d 42 mm, m 16 and the width of the washing grooves l 3 mm in inner diameter and l ₁ 6 mm on the outer diameter.

Кроме того, прямыми измерениями однотипных коронок было установлено среднее значение расстояния между алмазными зернами при различной концентрации алмазов. In addition, by direct measurements of crowns of the same type, the average value of the distance between diamond grains at various diamond concentrations was established.

Результаты измерения приведены в табл.1. The measurement results are given in table 1.

Длина линии резания по наружному диаметру L_р1 коронки, выбранной за прототип
L_P1

-l₁

6=5,584 мм
Количество алмазных зерен в линии резания n₁
n₁ L_p1/λ= 5:584/0,781 ≈ 7 шт.The length of the cutting line along the outer diameter L _{p1 of the} crown selected for the prototype
L _p1

-l ₁

6 = 5.584 mm
The number of diamond grains in the cutting line n ₁
n ₁ L _p1 / λ = 5: 584 / 0.781 ≈ 7 pcs.

Длина линии резания по внутреннему диаметру L_р2 коронки, выполненной по предлагаемому способу, при условии, что ширина промывочного паза l₂ 4 мм, что способствует значению ширины паза серийно выпускаемых коронок этого типоразмера:
L_р2

l₂

4=4,246 мм
Среднее расстояние между зернами λ₁ в линии резания при соблюдении условия постоянства числа зерен в пределах рабочей поверхности коронки
λ₁ L_p2/n₁ 4,246/7 0,607 мм.The length of the cutting line for the inner diameter L _{p2 of the} crown, made by the proposed method, provided that the width of the flush groove l ₂ 4 mm, which contributes to the value of the groove width of commercially available crowns of this size:
L _p2

l ₂

4 = 4.246 mm
The average distance between grains λ ₁ in the cutting line, subject to the condition of constant number of grains within the working surface of the crown
λ ₁ L _p2 / n ₁ 4,246 / 7 0.607 mm.

По данным табл. 1 определяют, что ближайшей стандартной концентрацией, обеспечивающей среднее расстояние между алмазными зернами 0,607 мм, является концентраций 175% Поэтому для слоя матрицы, примыкающего к внутреннему диаметру предлагаемой коронки, приготавливают состав со 175% концентрацией алмазов. According to the table. 1 determine that the closest standard concentration, providing an average distance between diamond grains of 0.607 mm, is the concentration of 175%. Therefore, for a layer of the matrix adjacent to the inner diameter of the proposed crown, prepare a composition with 175% concentration of diamonds.

В качестве материала матрицы для обеих коронок был использован состав ВК6 с последующей пропиткой медью. Буровая коронка, соответствующая прототипу, была изготовлена по стандартной технологии, включающей прессование, нагрев, пропитку медью и т.д. The composition of the matrix for both crowns was used VK6 composition followed by impregnation with copper. The drill bit corresponding to the prototype was manufactured using standard technology, including pressing, heating, copper impregnation, etc.

Для предлагаемой буровой коронки также была использована стандартная технология. Однако при засыпке шихты в пресс-форму между двумя слоями была установлена прослойка из фольги, что предотвратило перемешивание шихты разных составов. Перед прессованием фольга была извлечена. Standard drill technology has also been used for the proposed drill bit. However, when filling the charge into the mold, a layer of foil was installed between the two layers, which prevented mixing of the charge of different compositions. Before pressing, the foil was removed.

Сопоставление эксплуатационных характеристик изготовленных коронок осуществлялось путем бурения блока Коростышевского гранита. При этом контролировались осевая нагрузка на коронку и величина потребляемой мощности. Частота вращения была постоянной и равной 475 об/мин. A comparison of the operational characteristics of the manufactured crowns was carried out by drilling a block of Korostyshevsky granite. In this case, the axial load on the crown and the amount of power consumption were controlled. The rotation frequency was constant and equal to 475 rpm.

Анализ результатов экспериментов показал, что эксплуатационные характеристики коронок в диапазоне нагрузок до 1500 дан практически не отличаются. Однако они имеют различные критические режимы бурения величину осевой нагрузки, вызывающей резкое возрастание потребляемой мощности, свидетельствующей о скоплении продуктов бурения под торцом коронки и о начале прижога. Параметры критических режимов приведены в табл.2. Analysis of the experimental results showed that the operational characteristics of the crowns in the load range up to 1500 dan practically do not differ. However, they have different critical drilling modes, the value of the axial load, causing a sharp increase in power consumption, indicating the accumulation of drilling products at the end of the crown and the onset of burning. The parameters of critical regimes are given in Table 2.

Относительную оценку параметров осуществляли по формуле
Δ

100% где П_п, П_и значение параметра по прототипу и предлагаемому изобретению соответственно.The relative estimation of parameters was carried out according to the formula

Δ

100% where P _p , P _and the parameter value of the prototype and the invention, respectively.

Анализ табл.2 показывает, что критический режим коронки, соответствующий предлагаемому изобретению, наступает при условиях эксплуатации, на 24-28% превышающих аналогичные условия для коронки, изготовленной в соответствии с прототипом. The analysis of table 2 shows that the critical mode of the crown, corresponding to the proposed invention, occurs under operating conditions, 24-28% higher than the same conditions for crowns made in accordance with the prototype.

Это свидетельствует о том, что предлагаемое изобретение обеспечивает расширение номенклатуры буровых коронок, на которых может быть эффективно использовано условие равенства числа зерен на линии резания, т.е. гарантирует достижение положительного эффекта. This indicates that the present invention provides an extension of the range of drill bits, on which the condition of equality of the number of grains on the cutting line can be used, i.e. guarantees the achievement of a positive effect.

Claims

DIAMOND DRILLING CORE, comprising a body and a diamond-containing matrix fixed thereon, divided into sectors by flushing grooves, the inclined side surfaces of which in a plane perpendicular to the axis of the crown are angled to each other, characterized in that the flushing grooves are made of two parts: external and internal, while the latter are formed parallel to the radius of the crown passing through the middle of the washing groove, the side surfaces that intersect with the inclined side surfaces of the outer parts of the washing groove, while the number of grains on the cutting line along the inner diameter of the crown corresponds to the number of grains on the cutting line along its outer diameter.