RU2087665C1

RU2087665C1 - Diamond drill bit

Info

Publication number: RU2087665C1
Application number: RU94009931A
Authority: RU
Inventors: Евгений Викторович Сопин; Виктор Евгеньевич Сопин
Original assignee: Евгений Викторович Сопин; Виктор Евгеньевич Сопин
Priority date: 1994-03-22
Filing date: 1994-03-22
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: bit has body 1, connection part 2, flushing passages 3, matrix made up of layers 4, 5 with rock cutters 6 located between them. Layers 4, 5 are located perpendicularly or at incline to plane which is perpendicular to longitudinal axis of bit, and positioned between them is cutter 6. Layer 4 located in direction of bit rotation before cutter 6 is less wear-resistant than layer 5 located behind cutter 6. In drilling, layer 4 due to erosion wear exposes front edge of cutter 6 thus forming hydraulic passage for inflow of liquid to rock crushing zone, cooling of cutter 6, cleaning and wetting of bottom-hole surface. Wear-resistant layer 5 of matrix, in process of drilling functions as supporting member for cutter 6, limits its penetration into rock beyond permissible value, takes dynamic loads created due to vibration of drilling tool. This allows for optimization of operation mode of rock crushing cutters 6 at intensification of drilling process. EFFECT: high efficiency. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. The invention relates to a rock cutting tool, namely to diamond drill bits.

Известны серийные алмазные коронки, включающие корпус с присоединительной к буровой снаряду частью, алмазосодержащему с промывочными каналами. Known serial diamond crowns, including a housing with a connecting part to the drill part, diamond-containing with flushing channels.

Недостатком известных коронок является снижение стойкости при бурении на форсированных режимах из-за ухудшения очистки забоя скважины от шлама. Это связано с тем, что при бурении с высокой механической скоростью под торцом матрицы, в задней по ходу вращения части каждого сектора, происходит накопление шлама и его многократное переизмельчение, а при использовании мелких торцевых алмазов, вследствие отсутствия циркуляции промывочной жидкости между породоразрушающими резцами, нарушается температурный режим работы инструмента, что ведет к снижению ресурса и эффективности бурового процесса. A disadvantage of the known crowns is a decrease in resistance when drilling in forced modes due to the deterioration in cleaning the bottom of the well from sludge. This is due to the fact that when drilling at a high mechanical speed under the end of the matrix, in the back part of each sector, the accumulation of sludge and its repeated overgrowing occurs, and when using small end diamonds, due to the lack of circulation of the flushing fluid between the rock cutting tools, it is violated temperature operation of the tool, which leads to a decrease in the resource and efficiency of the drilling process.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус с присоединительной резьбовой частью, матрицу, состоящую из алмазного торцевого и подрезного слоев, разделенную промывочными каналами на сектора уменьшенной длины, оснащенные по наружной и внутренней боковым поверхностям износостойкими элементами из сверхтвердого материала, причем износостойкие элементы в каждом секторе, с целью повышения механической прочности соединения, смещены в сторону набегающей части на угол 6-8 градусов. Known diamond drill bit, comprising a housing with a connecting threaded part, a matrix consisting of a diamond end and undercut layers, divided by flushing channels into sectors of reduced length, equipped on the outer and inner side surfaces with wear-resistant elements of superhard material, and wear-resistant elements in each sector, in order to increase the mechanical strength of the joint, shifted towards the incident part at an angle of 6-8 degrees.

Уменьшение длины секторов, увеличение количества промывочных каналов улучшает очистку поверхности разрушения горной породы от бурового шлама и охлаждение породоразрушающих резцов, что позволяет использовать в коронке дешевые сорта алмазов мелкой фракции и повышает эффективность процесса бурения на форсированных режимах работы инструмента. Reducing the length of sectors, increasing the number of flushing channels improves the cleaning of the surface of rock destruction from drill cuttings and the cooling of rock cutting tools, which makes it possible to use cheap grades of fine fraction diamonds in the crown and increases the efficiency of the drilling process under forced operating modes of the tool.

Однако, данная коронка имеет и недостатки. Так как прочность соединения сектора матрицы с корпусом пропорциональна его длине, а секторы коронки укорочены до минимально-допустимой величины, то дальнейшее повышение эффективности бурения на более высоком уровне форсирования режимов ее работы проблематично. However, this crown also has disadvantages. Since the strength of the connection between the matrix sector and the body is proportional to its length, and the crown sectors are shortened to the minimum acceptable value, a further increase in drilling efficiency at a higher level of boosting its operation modes is problematic.

Вместе с этим, из-за наличия большого количества промывочных каналов, коронка имеет не только пониженную прочность соединения секторов матрицы с корпусом, но и уменьшенную площадь контактирования алмазосодержащей матрицы с поверхностью забоя. В процессе бурения, для обеспечения работоспособности коронки необходимо стабилизировать заданную величину внедрения резцов в горную породу, а при использовании мелких торцевых алмазов, допустимое отклонение имеет короткий интервал, выдержать который из-за повышенной амплитуды колебаний осевой нагрузки на инструмент и вибрации бурового снаряда, работающего в форсированном режиме, весьма затруднительно. В связи с этим для обеспечения нормального режима работы породоразрушающих резцов и увеличения ресурса коронки рекомендуют ограничивать уровень механической скорости (не более 4 м/час), а это снижает эффективность процесса бурения. At the same time, due to the presence of a large number of flushing channels, the crown has not only a reduced connection strength of the matrix sectors with the housing, but also a reduced contact area of the diamond-containing matrix with the face surface. In the process of drilling, to ensure the working capacity of the crown, it is necessary to stabilize the specified value of the penetration of the cutters into the rock, and when using small face diamonds, the permissible deviation has a short interval, which can withstand due to the increased amplitude of the axial load on the tool and the vibrations of the drill working in forced mode, very difficult. In this regard, to ensure the normal operation of rock cutting tools and increase the resource of the crown, it is recommended to limit the level of mechanical speed (not more than 4 m / h), and this reduces the efficiency of the drilling process.

Цель настоящего изобретения повышение эффективности бурения за счет увеличения ресурса работы коронки и механической скорости путем форсирования режимов по параметрам частоты вращения и осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, а также снижение стоимости коронки за счет использования дешевых природных и синтетических алмазов мелкой фракции. The purpose of the present invention is to increase drilling efficiency by increasing the working life of the crown and the mechanical speed by forcing modes in terms of speed and axial load on the rock cutting tool, as well as reducing the cost of the crown through the use of cheap natural and synthetic fine fractions.

Эта цель достигается тем, что слои матрицы расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними установлен породоразрушаеющий резец, при этом слой матрицы, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой матрицы, размещенный за резцом. This goal is achieved by the fact that the matrix layers are perpendicular or inclined to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the crown, and a rock cutting cutter is installed between them, while the matrix layer located along the rotation of the crown in front of the cutter has a lower wear resistance than the matrix layer placed for the cutter.

В процессе бурения коронкой, слой матрицы, расположенный перед породоразрушающим резцом, изнашивается с большей скоростью, чем слой, расположенный за резцом, по ходу вращения. При этом обнажается передняя режущая кромка резца и образуется гидравлический канал, способствующий поступлению промывочной жидкости в зону горной породы для охлаждения алмазов, смачивания и очистки от шлама поверхности забоя скважины. Слой матрицы, расположенный за резцом, имеющий более высокое значение износоустойчивости, чем передний, в процессе бурения выполняет роль опорного и несущего элемента резца, предохраняющего его от механических повреждений при действии повышенных нагрузок и ограничивающего внедрение алмазов в горную породу сверх допустимой величины. Предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую механическую прочность матрицы коронки за счет сохранения ее целостности и стандартных размеров секторов, прочное закрепление породоразрушающих резцов, а стабилизация процесса разрушения горной породы и нормализация температурного режима работы алмазов, позволяет повысить стойкость наконечника и механическую скорость на более высоком уровне форсирования режимных параметров бурения. During core drilling, the matrix layer located in front of the rock cutting tool cuts out faster than the layer located behind the tool, in the direction of rotation. In this case, the leading cutting edge of the cutter is exposed and a hydraulic channel is formed, which facilitates the flow of flushing fluid into the rock zone for cooling diamonds, wetting and cleaning the surface of the bottom hole from the cuttings. The matrix layer located behind the cutter, which has a higher value of wear resistance than the front one, during the drilling process plays the role of the supporting and supporting element of the cutter, protecting it from mechanical damage under the action of increased loads and limiting the introduction of diamonds into the rock in excess of the permissible value. The proposed solution provides high mechanical strength of the crown matrix by preserving its integrity and standard sector sizes, firmly securing rock cutting tools, and stabilizing the process of rock destruction and normalizing the temperature regime of diamonds, allows to increase the resistance of the tip and mechanical speed at a higher level of forcing drilling parameters.

На фиг. 1, 2 изображена буровая коронка в двух проекциях с продольным резцом; на фиг. 3 показана схема работы породоразрушающего резца, расположенного между двумя слоями матрицы с различной износоустойчивостью; на фиг. 4 изображен один из вариантов выполнения коронки с криволинейной формой породоразрушающих резцов в поперечном сечении. In FIG. 1, 2 shows a drill bit in two projections with a longitudinal cutter; in FIG. 3 shows a working diagram of a rock cutting tool located between two matrix layers with different wear resistance; in FIG. 4 depicts one embodiment of a crown with a curved shape of rock cutting cutters in cross section.

Буровая коронка состоит из корпуса 1 с присоединительной к буровому снаряду частью 2, промывочных каналов 3, матрицы, выполненной из слоев 4, 5 и расположенных между ними породоразрушающих резцов 6. Слои 4, 5 матрицы расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними установлен резец 6, при этом слой 4 матрицы, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом 6, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой 5 матрицы, размещенный за резцом 6. The drill bit consists of a housing 1 with a part 2 connecting to the drill bit, flushing channels 3, a matrix made of layers 4, 5 and rock-cutting cutters located between them 6. The layers 4, 5 of the matrix are perpendicular or inclined to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the crown and a cutter 6 is installed between them, while the matrix layer 4 located along the crown in front of the cutter 6 has a lower wear resistance than the matrix layer 5 located behind the cutter 6.

Различная величина износоустойчивости слоев 4, 5 матрицы коронки достигается путем изменения количественных и качественных соотношений материалов, входящих в композиционный состав шихты, а также использования вставок из твердых и сверхтвердых сплавов. A different value of the wear resistance of the layers 4, 5 of the crown matrix is achieved by changing the quantitative and qualitative ratios of the materials included in the composition of the mixture, as well as using inserts of hard and superhard alloys.

Породоразурешающий резец 6 представляет собой слой матрицы, содержащий природные или синтетические алмазы, величина и концентрация которых зависит от условий бурения. The pre-cutting cutter 6 is a matrix layer containing natural or synthetic diamonds, the size and concentration of which depends on the drilling conditions.

Количество и геометрические размеры слоев 4, 5 матрицы, породоразрушающих резцов 6 в секторе, а также угол их наклона к плоскости торца коронки определяется физико-механическими свойствами разбуриваемых горных пород, видом промывочной жидкости и режимными параметрами процесса бурения. The number and geometric dimensions of the layers 4, 5 of the matrix, rock cutting cutters 6 in the sector, as well as the angle of their inclination to the plane of the crown end face is determined by the physicomechanical properties of the drilled rocks, the type of flushing fluid and the operating parameters of the drilling process.

Коронка работает следующим образом. The crown works as follows.

При бурении скважины, от бурового агрегата коронке передается крутящий момент и осевая нагрузка. Для охлаждения коронки, удаления шлама и смачивания зоны разрушения горной породы подается промывочная жидкость, поступающая по буровому снаряду через промывочные каналы 3 к поверхности забоя. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие резцы 6, перемещаясь по поверхности забоя скважины, разрушают горную породу, слои 4 матрицы вследствие эрозионного износа обнажают набегающую поверхность резцов 6. В результате износа слоев 4 в передних по ходу вращения частях резцов 6 образуются гидравлические каналы, соединяющие боковые поверхности матрицы, по которым промывочная жидкость поступает к забою скважины, осуществляет охлаждение резцов 6, очистку от шлама и смачивание поверхности разрушения горной породы. Таким образом, у передней кромки каждого породоразрушающего резца 6 образуется индивидуальный гидравлический канал, поперечное сечение которого из-за небольших размеров не снижает прочность матрицы, но достаточно для циркуляции жидкости и нормализации температурного режима работы алмазов. Промывочные каналы 3 в матрице коронки обеспечивают необходимый перепад давления промывочной жидкости и скорость восходящего потока (жидкости) в скважине. Слой 5 матрицы, расположенный за резцом 6, имеющий более высокое значение износостойкости, выполняет функцию опорного элемента резца 6 и регулятора величины внедрения резца 6 в горную породу, воспринимающего динамические нагрузки, возникающие при вибрации бурового снаряда, работающего в форсированном режиме. When drilling a well, the torque and axial load are transmitted to the crown from the drilling unit. To cool the crown, remove sludge and wet the rock destruction zone, a flushing fluid is supplied through a drill through the flushing channels 3 to the bottom surface. Under the action of axial load and torque, rock cutting tools 6, moving along the bottom surface of the well, destroy the rock, the layers 4 of the matrix due to erosion wear expose the incident surface of the tools 6. As a result of wear of the layers 4, hydraulic channels are formed in the front parts of the cutting tools 6, connecting the lateral surfaces of the matrix, through which the flushing fluid enters the bottom of the well, carries out the cooling of the cutters 6, cleaning of the sludge and wetting the surface of the destruction of the rock. Thus, at the leading edge of each rock cutting tool 6, an individual hydraulic channel is formed, the cross section of which, due to its small size, does not reduce the strength of the matrix, but is sufficient for fluid circulation and normalization of the temperature regime of diamonds. The flushing channels 3 in the crown matrix provide the necessary pressure drop of the flushing fluid and the velocity of the upward flow (fluid) in the well. The matrix layer 5, located behind the cutter 6, having a higher wear resistance value, performs the function of the supporting element of the cutter 6 and the regulator of the magnitude of the introduction of the cutter 6 into the rock, perceiving dynamic loads arising from vibration of a drill operating in forced mode.

Расположение породоразрушающих резцов 6 между слоями 4, 5 матрицы обеспечивает ее целостность, высокую механическую прочность закрепления резцов 6, необходимый уровень теплоотвода, а также оптимальный температурный режим работы алмазов, что позволяет интенсифицировать технологический процесс бурения горных пород путем повышения уровня форсирования режимов работы алмазной коронки. The location of the rock-cutting cutters 6 between the layers 4, 5 of the matrix ensures its integrity, high mechanical strength of the fixing of the cutters 6, the necessary heat removal rate, as well as the optimal temperature regime of the diamonds, which allows to intensify the rock drilling process by increasing the level of forcing the diamond crown operating modes.

Криволинейное выполнение породоразрушающих резцов 6 в поперечном сечении коронки, способствует интенсификации удаления бурового шлама с поверхности разрушения горной породы за счет изменения траектории его движения у режущей кромки резцов 6 по касательной к периферийной стороне забоя. Криволинейная форма выполнения резцов 6 с отрицательным углом их наклона к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, обеспечивает снижение ударных нагрузок на коронку при бурении трещиноватых и перемежающихся по твердости горных пород. Динамическая стабильность работы коронки с криволинейным выполнением породоразрушающих резцов позволяет поднять уровень форсирования режима бурения, повысить механическую скорость и снизить удельный расход алмазов. The curved execution of rock cutting cutters 6 in the cross section of the crown, helps to intensify the removal of drill cuttings from the surface of the destruction of the rock by changing the path of its movement at the cutting edge of the cutters 6 along the tangent to the peripheral side of the face. The curvilinear shape of the cutters 6 with a negative angle of inclination to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the crown, reduces impact loads on the crown when drilling fractured and alternating hardness rocks. The dynamic stability of the crown with the curved execution of rock cutting tools allows you to increase the level of boosting the drilling mode, increase the mechanical speed and reduce the specific consumption of diamonds.

Claims

1. Diamond drill bit, comprising a housing with a part for attachment to the drill, made of layers of a diamond-containing matrix with flushing channels and rock cutting cutters, characterized in that the layers of the matrix are perpendicular or inclined to the plane perpendicular to the longitudinal axis of the crown, and a cutter is installed between them while the matrix layer located along the rotation of the crown in front of the cutter has a lower wear resistance than the matrix layer placed behind the cutter.

2. The crown according to claim 1, characterized in that the cutter has a curved shape in the cross section of the crown.