RU2332556C1

RU2332556C1 - Crown drilling bit

Info

Publication number: RU2332556C1
Application number: RU2007104098/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Митрофанович Панин (RU); Николай Митрофанович Панин; Владимир Федорович Сорокин (RU); Владимир Федорович Сорокин; Юрий Евдокимович Будюков (RU); Юрий Евдокимович Будюков
Original assignee: Николай Митрофанович Панин
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to rock destructing tools, namely, to crown drilling bits reinforced by synthetic diamonds designed for drilling with extracting cores. The crown bit includes a casing and a matrix divided by the flushing slots into separate sectors furnished with well-forming, central and core-forming superhard inserts and protective elements. Note here that well-forming and core-forming inserts are set up with a negative angle of inclination and with a lag in height relative to the central inserts. Note that the diameter of the central, well-forming and core-forming inserts d_c, d_w and d_cr are interrelated by the following ratio: d_c=(1.15-1.25)d_cr, with d_w=d_cr. Mind that the central inserts, depending upon physical and mechanical properties of bored rocks, can be arranged vertically, horizontally, with a negative-angle inclination and a radial shift towards the well-forming inserts.

EFFECT: higher efficiency of crown bit operation.

4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, армированным синтетическими алмазами и предназначенными преимущественно для разрушения твердых пород.The invention relates to a rock cutting tool, namely to drill bits reinforced with synthetic diamonds and intended primarily for the destruction of hard rocks.

Известна буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, оснащенные скважинообразующими, центральными и кернообразующими вставками из сверхтвердого материала и защитными элементами, расположенными перед скважино- и кернообразующими вставками (см. авт.св. СССР №625016, кл. Е21В 10/48, 1978 г.).Known drill bit, comprising a housing and matrix, divided by flushing grooves into separate sectors, equipped with borehole, central and core-forming inserts of superhard material and protective elements located in front of the borehole and core-forming inserts (see ed. St. USSR No. 625016, cl. ЕВВ 10/48, 1978).

Недостатком этой коронки является быстрый износ матрицы, что приводит к обнажению алмазных вставок и как следствие этого - к их сколу и выпадению на забой. Связано это с наличием значительного зазора между защитными элементами и рабочими вставками.The disadvantage of this crown is the rapid wear of the matrix, which leads to the exposure of diamond inserts and, as a result, to their cleavage and loss to the face. This is due to the presence of a significant gap between the protective elements and the working inserts.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, оснащенные скважинообразующими, центральными и кернообразующими вставками из сверхтвердого материала и защитными элементами (см. авт.св. СССР №857423, кл. Е21В 10/48, 1981 г.).Closest to the proposed technical essence and the achieved result is a drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into separate sectors, equipped with bore-forming, central and core-forming inserts of superhard material and protective elements (see ed. St. USSR No. 857423, C. E21B 10/48, 1981).

Основным недостатком данной коронки является неравномерный износ вооружения, а именно выход скважино- и кернообразующих вставок при еще работоспособном состоянии центральных вставок. Это объясняется нерациональной схемой размещения вставок на торце коронки. Другим недостатком прототипа является отсутствие центровки коронки, что ведет к радиальному биению матрицы, аномальному ее износу и выпадению синтетических алмазных вставок, особенно при высокооборотном бурении, которое является основным показателем режима бурения для алмазного породоразрушающего инструмента, определяющим эффективность его работы. Так, общепризнано, что скорость бурения алмазным породоразрушающим инструментом прямо пропорциональна частоте вращения бурового вала.The main disadvantage of this crown is the uneven wear of the weapons, namely, the output of the borehole and core-forming inserts while the central inserts are still operational. This is explained by an irrational arrangement of inserts on the end face of the crown. Another disadvantage of the prototype is the lack of centering of the crown, which leads to radial runout of the matrix, its abnormal wear and loss of synthetic diamond inserts, especially during high-speed drilling, which is the main indicator of the drilling mode for a diamond rock cutting tool that determines its efficiency. Thus, it is generally recognized that the drilling speed of a diamond rock cutting tool is directly proportional to the rotational speed of the drill shaft.

В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эффективности работы коронки путем увеличения ее проходки.In connection with the stated technical objective of the invention is to increase the efficiency of the crown by increasing its penetration.

Поставленная техническая задача решается тем, что в буровой коронке, включающей корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, оснащенные скважинообразующими, центральными и кернообразующими вставками из сверхтвердого материала и защитными элементами, согласно изобретению центральные вставки установлены с опережением относительно скважино- и кернообразующих вставок по высоте и по направлению вращения, при этом скважино- и кернообразующие вставки, соответственно d_c и d_к, установлены с отрицательным углом наклона и имеют одинаковый диаметр, который связан с диаметром центральных вставок d_ц соотношением: d_ц=(1,15-1,25)d_к.The stated technical problem is solved in that in the drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into separate sectors, equipped with bore-forming, central and core-forming inserts of superhard material and protective elements, according to the invention, the central inserts are installed ahead of the bore-hole and core-forming inserts in height and in the direction of rotation, while the borehole and core-forming inserts, respectively d _c and d _k , are installed with a negative angle womb and have the same diameter, which is related to the diameter of central inserts d _i ratio: d _c = (1,15-1,25) d _k.

Решению поставленной задачи способствует также и то, что:The solution of the problem also contributes to the fact that:

- центральные вставки размещены на передней грани каждого сектора;- central inserts are placed on the front face of each sector;

- центральные вставки установлены с отрицательным углом наклона от 0 до 90°;- central inserts are installed with a negative angle of inclination from 0 to 90 °;

- центральные вставки коронки смещены в радиальном направлении в сторону скважинообразующих вставок.- the central inserts of the crown are shifted in the radial direction towards the borehole inserts.

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг.1 изображает общий вид коронки в продольном разрезе; фиг.2 - вид коронки со стороны рабочего торца; фиг.3, 4 и 5 вид - А, С и В на фиг.2 и фиг.6 - другой вариант размещения вставок.The invention is illustrated by drawings, in which figure 1 depicts a General view of the crown in longitudinal section; figure 2 is a view of the crown from the side of the working end; figure 3, 4 and 5 view - A, C and B in figure 2 and figure 6 is another option for inserting inserts.

Предложенная буровая коронка содержит цилиндрический корпус 1 с матрицей 2, разделенную промывочными пазами 3 на отдельные секторы 4. Каждый сектор 4 армирован скважинообразующими 5, центральными 6 и кернообразующими 7 породоразрушаюшими вставками, при этом диаметры центральных, скважинообразующих и кернообразующих вставок, соответственно d_ц, d_c и d_к, связаны соотношением: d_ц=(1,15-1,25)d_к или d_с, т.к. диаметры скважино- и кернообразующих вставок 5 и 7 одинаковы. Наружная и внутренняя поверхности матрицы дополнительно армированы защитными элементами 8 из твердого сплава, преимущественно в виде релита. Скважино- и кернообразующие вставки 5 и 7 установлены с отрицательным углом наклона от 0 до 90° и с отставанием относительно центральных вставок 6 по высоте. При такой схеме установки вставок 5, 6 и 7 в центральной части кольцевого забоя образуется кольцевой паз, который центрирует коронку и образует дополнительную плоскость обнажения, при этом центральные вставки 6 испытывают значительные нагрузки и для их усиления используются вставки большего диаметра. Наличие дополнительной плоскости обнажения, образованной центральными вставками 6, способствует снижению энергоемкости процесса разрушения породы и благоприятно сказывается на увеличении как скорости бурения, так и проходки на коронку. Кроме того, смещение скважино- и кернообразующих вставок 5 и 7 относительно центральных вставок 6 по ходу вращения коронки способствует снятию с них динамических нагрузок и повышению их работоспособности. Одновременно с этим расположение вставок 5 и 7 с отрицательным углом наклона повышает и надежность их крепления в матрице 2 благодаря увеличению площади обхвата матричным материалом и способствует более эффективному разрушению благодаря образованию заднего угла резания. Кроме того, при таком расположении вставок 5 и 7 разрушение породы осуществляется боковой поверхностью вставок, которая для стержней из искусственных алмазов является более прочной по сравнению со средней частью. Это также способствует повышению проходки на коронку. Угол наклона вставок 5 и 7 выбирается в зависимости от физико-механических свойств горных пород. При этом для обеспечения равностойкости вставок 5 и 7 величина угла наклона скважинообразующих вставок 5, как наиболее нагруженных, должна быть несколько больше, чем у кернообразующих вставок 7. Другим вариантом выравнивания ресурсов работы вставок 5 и 7 является смещение центральных вставок 6 в радиальном направлении в сторону скважинообразующих вставок 5 при одновременном обеспечении полного перекрытия забоя скважины вставками 5, 6 и 7 (фиг.6). Центральные вставки 6 могут располагаться с отрицательным углом наклона (фиг.3) - преимущественно при бурении по абразивным породам, горизонтально (фиг.4) - при бурении по малоабразивным породам и вертикально (фиг.5) - при бурении по хрупким породам. Схема расположения центральных вставок 6 относительно скважино- и кернообразующих вставок 5 и 7 также определяется физико-механическими свойствами горных пород. В коронках, предназначенных для разбуривания абразивных пород, центральные вставки 6 располагаются на определенном удалении от промывочного паза 3, что предохраняет их от преждевременного выпадения из-за аномального износа матрицы. В коронках, предназначенных для разбуривания твердых трещиноватых пород, центральные вставки 6 располагаются на передней грани промывочного паза 3. Это обеспечивает лучшее охлаждение вставок и отвод сколотых частиц породы непосредственно в промывочный паз 3 с дальнейшим удалением этих частиц в затрубное пространство, минуя торец матрицы 2.The proposed drill bit contains a cylindrical body 1 with a matrix 2, divided by flushing grooves 3 into separate sectors 4. Each sector 4 is reinforced with bore-forming 5, central 6 and core-forming 7 rock-breaking inserts, while the diameters of the central, bore-forming and core-forming inserts, respectively d _c , d _c and d _k are related by the ratio: d _c = (1.15-1.25) d _k or d _s , because the diameters of the borehole and core forming inserts 5 and 7 are the same. The outer and inner surfaces of the matrix are additionally reinforced with protective elements 8 made of hard alloy, mainly in the form of relit. The borehole and core-forming inserts 5 and 7 are installed with a negative angle of inclination from 0 to 90 ° and with a lag relative to the central inserts 6 in height. With this arrangement of inserts 5, 6 and 7, an annular groove is formed in the central part of the annular face, which centers the crown and forms an additional exposure plane, while the central inserts 6 experience significant loads and larger inserts are used to strengthen them. The presence of an additional exposure plane formed by the central inserts 6 helps to reduce the energy intensity of the rock destruction process and favorably affects the increase in both the drilling speed and the penetration to the crown. In addition, the displacement of the borehole and core-forming inserts 5 and 7 relative to the central inserts 6 along the rotation of the crown helps to remove dynamic loads from them and increase their performance. At the same time, the location of the inserts 5 and 7 with a negative angle of inclination increases the reliability of their fastening in the matrix 2 due to the increase in the girth area of the matrix material and contributes to more efficient destruction due to the formation of the rear cutting angle. In addition, with this arrangement of inserts 5 and 7, the rock is destroyed by the lateral surface of the inserts, which is more durable for rods made of artificial diamonds compared to the middle part. It also helps increase penetration to the crown. The angle of inclination of inserts 5 and 7 is selected depending on the physical and mechanical properties of the rocks. Moreover, to ensure the equidistance of inserts 5 and 7, the angle of inclination of the well-forming inserts 5, as the most loaded, should be slightly larger than the core-forming inserts 7. Another option for aligning the operating resources of inserts 5 and 7 is to shift the central inserts 6 in the radial direction to the side wellbore inserts 5 while ensuring complete overlap of the bottom of the well with inserts 5, 6 and 7 (Fig.6). The central inserts 6 can be located with a negative angle of inclination (Fig. 3) - mainly when drilling through abrasive rocks, horizontally (Fig. 4) - when drilling through non-abrasive rocks and vertically (Fig. 5) - when drilling through brittle rocks. The arrangement of the central inserts 6 relative to the borehole and core-forming inserts 5 and 7 is also determined by the physicomechanical properties of the rocks. In the crowns intended for drilling abrasive rocks, the central inserts 6 are located at a certain distance from the flushing groove 3, which protects them from premature loss due to abnormal wear of the matrix. In crowns intended for drilling hard fractured rocks, the central inserts 6 are located on the front face of the washing groove 3. This provides better cooling of the inserts and removal of chipped rock particles directly into the washing groove 3 with further removal of these particles into the annulus, bypassing the end face of the matrix 2.

Принцип работы коронки заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрущающие вставки 5, 6 и 7 совместно с защитными элементами 8 производят разрушение породы и калибровку стенок скважины и керна. При этом благодаря установке центральных вставок 6 с опережением относительно скважино- и кернообразующих вставок 5 и 7 по высоте на забое образуется кольцевой паз, который центрирует коронку, снижая ее радиальное биение. Благодаря образованию ступенчатого забоя скважино- и кернообразующие вставки 5 и 7 работают в более облегченных условиях, что увеличивает ресурс их работы. Этому способствует и снятие с них динамических нагрузок благодаря смещению их относительно центральных вставок 6 в сторону, противоположную направлению вращения коронки. Одновременно с этим образование ступенчатого забоя способствует и уменьшению энергоемкости разрушения породы, что благоприятно сказывается на проходке коронки.The principle of operation of the crown is as follows. Under the action of axial load and torque, the rock cutting inserts 5, 6 and 7 together with the protective elements 8 produce rock destruction and calibration of the walls of the well and core. Moreover, due to the installation of the central inserts 6 ahead of the borehole and core-forming inserts 5 and 7 in height, an annular groove is formed at the bottom, which centers the crown, reducing its radial runout. Due to the formation of a stepped bottom, the borehole and core-forming inserts 5 and 7 work in more lightened conditions, which increases the resource of their work. This is also facilitated by the removal of dynamic loads from them due to their displacement relative to the central inserts 6 in the direction opposite to the direction of rotation of the crown. At the same time, the formation of a stepped face contributes to a decrease in the energy intensity of rock destruction, which favorably affects the penetration of the crown.

В целом это позволяет повысить технико-экономические показатели работы коронок, а именно ресурс их работы, и тем самым снизить стоимость буровых работ.In general, this allows to increase the technical and economic performance of the crowns, namely the resource of their work, and thereby reduce the cost of drilling.

Claims

1. A drill bit, comprising a body and a matrix, divided by flushing grooves into separate sectors, equipped with bore-forming, central and core-forming inserts of superhard material and protective elements, characterized in that the central inserts are installed ahead of the bore and core-forming inserts in height and in the direction of rotation, while the borehole and core-forming inserts, respectively d _c and d _to , are installed with a negative angle of inclination and have the same diameter, which is associated with and the diameter of the central inserts d _{c the} ratio: d _c = (1.15-1.25) d _to .

2. The drill bit according to claim 1, characterized in that the central inserts are placed on the front face of each sector.

3. The drill bit according to claim 1, characterized in that the central inserts are installed with a negative angle of inclination from 0 to 90 °.

4. The drill bit according to claim 1, characterized in that the central inserts of the crown are offset in the radial direction towards the borehole inserts.