RU2398090C1

RU2398090C1 - Method to produce drilling bits with pdc-plates

Info

Publication number: RU2398090C1
Application number: RU2009117370/03A
Authority: RU
Inventors: Родион Михайлович Богомолов (RU); Родион Михайлович Богомолов; Андрей Георгиевич Ищук (RU); Андрей Георгиевич Ищук; Валерий Анатольевич Жуньков (RU); Валерий Анатольевич Жуньков; Леонид Владимирович Морозов (RU); Леонид Владимирович Морозов; Владимир Федорович Обидин (RU); Владимир Федорович Обидин; Мидхат Мухаметович Мухаметшин (RU); Мидхат Мухаметович Мухаметшин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш")
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2010-08-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to drilling equipment and can be used in production of drilling bits furnished with polycrystalline-diamond plates (PDC). Proposed method comprises turning and milling of the body components, drilling ducts to feed flushing fluid from nit inner space to blades and cutting edges of rock-braking inserts with PDC-plates, machining seats for said plates, fitting graphite plugs in said seats, hard-facing the space between said plugs, withdrawing graphite plugs and fitting inserts with PDC-plates therein, and sealing off said inserts. Then sharp edges of flushing ducts, at their exit from drilling bit inner space, are upset by melting with hard-alloy electrode to produce annular chamfer-like site of round-oval shape, when duct section runs onto lateral surface of drilling bit that features flat, convex or concave surface. At the same time, produced surfaces are reinforced by hard-alloy electrode metal. Then drilling bit entire work and inner surfaces, including inner space and inner ducts, are cleaned, degreased for high-wear-resistant cluster coat to be electrochemically deposited thereon. Said chromium-based coat incorporates diamond microparticles and features thickness of 0.5 mm, micro hardness of up to 1200 kg/mm² with friction factor less than 0.09.

EFFECT: reliable protection of drilling bit body, its flushing ducts and rock-braking elements against abrasive wear and reduced balling.

6 dwg

Description

Изобретение относится к области буровой техники и используется при производстве буровых долот, оснащенных пластинами из поликристаллических алмазов (PDC).The invention relates to the field of drilling equipment and is used in the manufacture of drill bits equipped with plates of polycrystalline diamonds (PDC).

Буровые долота, оснащенные пластинами PDC, все шире применяются для бурения мягких, а также мягких, перемежающихся со средними, и средних малоабразивных горных пород. Показатели работы таких долот прямо зависят от двух факторов: способности эффективного породоразрушения и способности системы промывки эффективно очищать забой от выбуренной породы без сальникообразования на рабочей поверхности долота. С целью реализации второго фактора эффективной работы долот, оснащенных пластинами PDC, промывочные каналы для различного направления струй промывочной жидкости из внутренней полости долота выводятся в различные зоны на его наружной поверхности.Drill bits equipped with PDC inserts are increasingly used for drilling soft as well as soft, interspersed with medium, and medium low abrasive rocks. The performance of such bits directly depends on two factors: the ability of effective rock destruction and the ability of the flushing system to effectively clean the bottom of the cuttings without stuffing on the working surface of the bit. In order to implement the second factor for the effective operation of bits equipped with PDC plates, the washing channels for different directions of the jets of washing liquid from the inner cavity of the bit are discharged into different zones on its outer surface.

Известно алмазное долото и способ его изготовления, принятый за аналог [1]. В этом долоте защита от абразивного износа осуществляется использованием схемы установки породоразрушающих элементов со взаимным перекрытием радиуса забоя на последовательных лопастях. Кроме повышения стойкости вооружения долота, такая схема породоразрушения способствует увеличению механической скорости бурения. Предотвращение сальникообразования на режущих кромках породоразрушающих элементов и в пространствах между лопастями осуществляется с помощью специальной схемы расположения и установки промывочных узлов, обеспечивающих индивидуальное направление струй промывочной жидкости в каждом межлопастном пространстве, омывая непосредственно все элементы, от центра долота до его периферии.A diamond bit and a method for its manufacture, adopted as an analogue [1], are known. In this bit, protection against abrasive wear is carried out using the installation of rock cutting elements with mutual overlap of the radius of the face on successive blades. In addition to increasing the stability of the armament of the bit, such a rock destruction scheme contributes to an increase in the mechanical drilling speed. The prevention of gland formation on the cutting edges of rock-cutting elements and in the spaces between the blades is carried out using a special arrangement and installation of flushing units that provide individual direction of flushing fluid jets in each inter-blade space, washing all elements directly, from the center of the bit to its periphery.

Недостатком этого способа защиты долота является то, что с помощью интенсивных промывочных струй надежно защищается от сальникообразования только нижняя, торцевая часть лопастей и межлопастного пространства, обращенная к забою. Остальная часть лопастей межлопастного пространства и ниппельной части корпуса омывается потоками промывочной жидкости гораздо хуже, что способствует налипанию на них липких фракций буримых пород, снижению интенсивности подъема на дневную поверхность обратного потока промывочной жидкости и, как следствие, снижению механической скорости бурения и проходки на долото.The disadvantage of this method of protecting the bit is that with the help of intensive flushing jets only the lower, end part of the blades and the inter-blade space facing the bottom are reliably protected from gland formation. The rest of the blades of the inter-blade space and the nipple part of the body are washed by the washing fluid flows much worse, which contributes to the sticking of sticky fractions of drill rocks on them, a decrease in the rate of rise of the reverse flow of the washing fluid on the day surface and, as a consequence, a decrease in the mechanical drilling and penetration rate on the bit.

Кроме того, другим недостатком способа защиты долота-аналога является то, что стенки самих многочисленных каналов от внутренней полости до выхода в межлопастное пространство подвергаются сильному абразивному износу от воздействия потока промывочной жидкости.In addition, another disadvantage of the method of protecting the analog bit is that the walls of the numerous channels themselves from the internal cavity to the exit to the inter-blade space are subjected to strong abrasive wear from the influence of the flow of washing liquid.

Известно другое долото, оснащенное пластинами PDC, и способ армирования его корпуса, принятый за прототип [2]. Данный способ армирования обеспечивает качественное защитное покрытие поверхностей лопастей вокруг вставок с пластинами PDC твердым сплавом, установку их вместо графитовых пробок в отверстия корпуса с последующим запаиванием их припоем. Затем всю рабочую поверхность лопастей армируют твердосплавным покрытием, а далее очищают, обезжиривают и наносят электрохимическим методом высокоизносостойкое композиционное (кластерное) покрытие на основе хрома с микрочастицами алмаза.There is another bit equipped with PDC plates, and a method of reinforcing its body, adopted as a prototype [2]. This reinforcement method provides high-quality protective coating of the surfaces of the blades around the inserts with PDC plates with hard alloy, their installation instead of graphite plugs in the openings of the housing, followed by soldering them with solder. Then, the entire working surface of the blades is reinforced with a carbide coating, and then they are cleaned, degreased and electrochemical applied a highly wear-resistant composite (cluster) coating based on chromium with diamond microparticles.

Положительным в прототипе является то, что наличие прочного кластерного покрытия резко снизило возможность сальникообразования в процессе бурения с одновременным повышением износостойкости режущей части вооружения и наружной поверхности долота.Positive in the prototype is that the presence of a strong cluster coating dramatically reduced the possibility of gland formation during drilling while increasing the wear resistance of the cutting part of the weapon and the outer surface of the bit.

Однако повышение стойкости этого долота до 200 часов и более только усилило присущий и данному долоту недостаток, упомянутый в описании аналога - усилился износ стенок внутренних промывочных каналов от внутренней полости долота до наружного межлопастного пространства и даже каналов по всей длине. Износ стенок промывочных каналов стал так велик, что появились случаи размыва узлов крепления и выпадения на забой твердосплавных насадок. Анализ износа стенок внутренних промывочных каналов при длительной работе показал, что особенно интенсивно стенки подвергаются абразивному износу, начиная с острых кромок на входе промывочных каналов, образующихся при механической обработке. Острые кромки являются концентраторами дальнейшего износа промывочных каналов по всей их длине. Эти недостатки способствуют снижению показателей работы долот, оснащенных пластинами PDC.However, increasing the durability of this bit to 200 hours or more only increased the disadvantage inherent in this bit, mentioned in the description of the analogue, the wear of the walls of the internal washing channels from the internal cavity of the bit to the outer inter-blade space and even the channels along the entire length increased. The deterioration of the walls of the flushing channels became so great that there were cases of erosion of the attachment points and precipitation of hard alloy nozzles onto the face. Analysis of the wear of the walls of the internal flushing channels during long-term operation showed that the walls are subjected to abrasive wear especially intensively, starting with sharp edges at the inlet of the flushing channels formed during machining. Sharp edges are the hubs for further wear of the wash channels along their entire length. These shortcomings contribute to lower performance of bits equipped with PDC inserts.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности защиты корпусов, их промывочных каналов, лопастей и породоразрушающих элементов долота от абразивного износа при снижении возможности сальникообразования.The technical result of the present invention is to increase the reliability of the protection of the housings, their washing channels, blades and rock cutting elements of the bit from abrasive wear while reducing the possibility of gland formation.

Указанный технический результат достигается применением способа изготовления буровых долот, оснащенных пластинами PDC, при котором проводят токарную и фрезерную обработку составных частей корпуса, сверление каналов для подвода промывочной жидкости из внутренней полости долота к лопастям и режущим кромкам породоразрушающих вставок с пластинами PDC, обработку гнезд под них, установку в гнезда графитовых пробок, наплавку твердым сплавом пространства между пробками, удаление графитовых пробок и установку вместо них вставок с пластинами PDC, запаивание вставок, затем острые кромки промывочных каналов на их входе из внутренней полости долота осаживают расплавлением твердосплавным электродом до образования кольцевой фаскообразной площадки круглой, овальной или иной формы (когда часть канала выходит на боковую поверхность внутренней полости долота) с плоской, вогнутой или выпуклой поверхностью и одновременно армируют полученные поверхности металлом твердосплавного электрода, а затем всю рабочую и внутреннюю поверхность долота, включая внутреннюю полость и внутренние каналы и осаженные кромки, очищают, обезжиривают и наносят электрохимическим методом высокоизносостойкое кластерное покрытие на основе хрома с микрочастицами алмаза толщиной до 0,5 мм, микротвердостью до 1200 кг/мм², с коэффициентом трения менее 0,09.The specified technical result is achieved by the application of a method of manufacturing drill bits equipped with PDC inserts, in which turning and milling of the components of the body are carried out, drilling channels for supplying flushing fluid from the inner cavity of the bit to the blades and cutting edges of rock cutting inserts with PDC inserts, processing nests under them installation of graphite plugs in the nests, hardfacing of the space between the plugs, removal of graphite plugs and installation of inserts with PDC plates instead, soldering the inserts, then the sharp edges of the washing channels at their entrance from the inner cavity of the bit are precipitated by melting with a carbide electrode until a circular chamfer area is formed of a round, oval or other shape (when a part of the channel extends to the lateral surface of the inner cavity of the bit) with a flat, concave or convex surface and at the same time, the surfaces obtained are reinforced with a metal of a carbide electrode, and then the entire working and internal surface of the bit, including the internal cavity and internal channel ly and osazhennye edge, purified, degreased and applied to an electrochemical method cluster highly wear-resistant coating based on chromium microparticle of diamond to 0.5 mm thickness, microhardness up to 1200 kg / mm ^2, a friction coefficient of less than 0.09.

Кластерное алмазное покрытие может наноситься любым электрохимическим способом, например по авторскому свидетельству №1694710, C25D 15/00 от 30.11.1991 г. или по патенту РФ №2202007, C25D 15/00 от 14.09.2001 г.Cluster diamond coating can be applied by any electrochemical method, for example, according to copyright certificate No. 1694710, C25D 15/00 of November 30, 1991, or according to the patent of the Russian Federation No. 220,207, C25D 15/00 of September 14, 2001.

При прочной адгезии состав кластерного алмазного покрытия проникает в неровности поверхностного слоя любых вышеуказанных поверхностей, включая внутренние каналы, выравнивая неровности и создавая гладкий скользкий наружный слой, плохо смачиваемый во время бурения промывочным глинистым раствором или вязким шламом. Поэтому сочетание прочных твердосплавного и кластерного алмазных покрытий одновременно резко снижает возможность абразивного износа на входе и по длине промывочных каналов, а также сальникообразования породы в процессе бурения на корпусе долота.With strong adhesion, the composition of the cluster diamond coating penetrates the roughnesses of the surface layer of any of the above surfaces, including the internal channels, smoothing out the roughnesses and creating a smooth slippery outer layer that is poorly wetted by drilling mud or viscous cuttings. Therefore, the combination of durable hard-alloy and cluster diamond coatings at the same time sharply reduces the possibility of abrasive wear at the inlet and along the length of the flushing channels, as well as rock gland formation during drilling on the bit body.

Замена острых кромок на входе промывочного канала из внутренней полости долота на плоские или выпуклые поверхности, армированные сначала слоем твердого сплава, а затем кластерным алмазным покрытием, ликвидирует концентраторы начала и последующего абразивного износа, резко повышает стойкость каналов, промывочных узлов и буровых долот в целом.Replacing sharp edges at the inlet of the flushing channel from the internal cavity of the bit with flat or convex surfaces reinforced first with a layer of hard alloy and then with a cluster diamond coating eliminates the hubs of the beginning and subsequent abrasive wear, sharply increases the resistance of the channels, flushing units and drill bits in general.

Перечень чертежей. На фиг.1 изображен общий вид долота-прототипа, в котором применяется противоизносная защита породоразрушающих элементов на лопастях. На фиг.2 показано долото-прототип со стороны торца присоединительной резьбы. На фиг.3 изображен продольный разрез долота-прототипа плоскостью А-А, проходящей через ось одного из промывочных каналов. На фиг.4 изображен фрагмент разреза долота (узел Б) с острыми кромками на входе промывочного канала. На фиг.5 изображен фрагмент разреза долота (узел Б), показанного на фиг.3, после нанесения защитного твердосплавного слоя по предлагаемому способу. На фиг.6 изображен фрагмент разреза долота (узел Б), показанного на фиг.3 и 4, после нанесения защитного кластерного алмазного покрытия по предлагаемому способу.The list of drawings. Figure 1 shows a General view of the bit of the prototype, which applies antiwear protection of rock-cutting elements on the blades. Figure 2 shows the prototype bit from the end of the connecting thread. Figure 3 shows a longitudinal section of a prototype bit by plane AA passing through the axis of one of the washing channels. Figure 4 shows a fragment of the section of the bit (node B) with sharp edges at the inlet of the washing channel. Figure 5 shows a fragment of the section of the bit (node B), shown in figure 3, after applying a protective carbide layer according to the proposed method. Figure 6 shows a fragment of the section of the bit (node B), shown in figure 3 and 4, after applying a protective cluster diamond coating according to the proposed method.

На фиг.1 обозначены: лопасти долота - поз.1, породоразрушающие элементы с пластинами PDC - 2, межлопастные пространства - 3, промывочные каналы - 4 с твердосплавными насадками - 5 на выходе, корпус долота - 6, износостойкие зубки - 7 на калибрующей поверхности лопастей - 1. На фиг.2 (вид долота со стороны торца присоединительной резьбы) обозначены: поз.4 - промывочные каналы с острыми кромками - 8 на их входе. На фиг.3 показан продольный разрез долота А-А по оси одного из промывочных каналов 4, соединяющих внутреннюю полость 9 с наружной поверхностью долота в межлопастном пространстве 10, узел твердосплавной насадки 11. Поз. 12 обозначена присоединительная резьба, 13 - основание внутренней полости, 14 - выход промывочного канала 4.In Fig. 1 are indicated: chisel blades - item 1, rock cutting elements with PDC plates - 2, inter-blade spaces - 3, flushing channels - 4 with carbide nozzles - 5 at the outlet, bit body - 6, wear-resistant teeth - 7 on the calibrating surface the blades - 1. In figure 2 (view of the bit from the end of the connecting thread) are indicated: pos.4 - flushing channels with sharp edges - 8 at their entrance. Figure 3 shows a longitudinal section of the bit aa along the axis of one of the washing channels 4, connecting the inner cavity 9 with the outer surface of the bit in the inter-blade space 10, the carbide nozzle assembly 11. Pos. 12 indicates the connecting thread, 13 - the base of the internal cavity, 14 - the output of the washing channel 4.

На фиг.4 в увеличенном масштабе показан узел Б промывочного канала 4 с острыми кромками 8. Эти острые кромки 8 являются препятствием для нанесения прочного кластерного алмазного покрытия, создаваемого при погружении долота в электрохимический раствор. На острых кромках 8 промывочных каналов толщина кластерного слоя получается нулевой, что приводит к тому, что незащищенные кромки являются концентраторами начального абразивного износа сначала самих кромок, а затем и износа поверхности с достаточным слоем покрытия, но с его внутренней стороны. Поскольку промывочный канал 4 образуется сверлением со стороны наружной поверхности долота (поз.14), то механическая обработка фаскообразной плавной поверхности на выходе из этого канала без острых кромок представляется весьма проблематичной. Поэтому в способ изготовления бурового долота, оснащенного пластинами PDC, введена операция осаживания острых кромок, образующихся на выходе сверла во внутреннюю полость, способом их оплавления до создания кольцевых площадок шириной 3÷4 мм с помощью полых стальных электродов, заполненных порошком твердого сплава, например ВК12. Когда при сверлении часть промывочных каналов выходит на боковую поверхность 9 внутренней полости, кольцевые площадки могут иметь круглую, овальную или иную форму. Во время формирования площадок на них наносится слой твердого сплава толщиной 0,5÷2 мм. Форма образующей поверхности площадки может быть различной: от плоской до выпуклой или вогнутой.Figure 4 on an enlarged scale shows the node B of the flushing channel 4 with sharp edges 8. These sharp edges 8 are an obstacle to the application of a durable cluster diamond coating created when the bit is immersed in an electrochemical solution. On the sharp edges of the 8 washing channels, the thickness of the cluster layer is zero, which leads to the fact that the unprotected edges are the hubs of the initial abrasive wear of the edges themselves, and then of the surface with a sufficient coating layer, but on its inside. Since the flushing channel 4 is formed by drilling from the side of the outer surface of the bit (key 14), the mechanical treatment of a chamfer-like smooth surface at the outlet of this channel without sharp edges seems to be very problematic. Therefore, in the method of manufacturing a drill bit equipped with PDC plates, the operation of upsetting the sharp edges formed at the outlet of the drill into the internal cavity is introduced by the method of their melting to create annular areas 3–4 mm wide using hollow steel electrodes filled with hard alloy powder, for example, VK12 . When during drilling a part of the washing channels extends to the side surface 9 of the internal cavity, the annular platforms may have a round, oval or other shape. During the formation of the sites, a layer of hard alloy with a thickness of 0.5 ÷ 2 mm is applied to them. The shape of the generatrix of the surface of the site can be different: from flat to convex or concave.

На фиг.5 показан промывочный канал 4 с осаженными острыми кромками и наплавленными твердым сплавом фаскообразными поверхностями 15 по предлагаемому способу. Подразумевается, что все острые кромки на входе канала 4 у торцевой поверхности 13 внутренней полости, а также на боковой поверхности 9 внутренней полости также обработаны твердосплавными электродами. Фиг.5 показана как фрагмент всех фаскообразных поверхностей.Figure 5 shows the washing channel 4 with upset sharp edges and hardfaced weld bevel surfaces 15 according to the proposed method. It is understood that all sharp edges at the entrance of the channel 4 at the end surface 13 of the inner cavity, as well as on the side surface 9 of the inner cavity, are also treated with carbide electrodes. Figure 5 is shown as a fragment of all bevelled surfaces.

На фиг.6 показан промывочный канал 4 после нанесения последующего кластерного алмазного покрытия 16, как фрагмент внутренней поверхности долота и внутренних поверхностей промывочных каналов. Высокая стойкость кластерного алмазного покрытия поверхностей, лишенных острых кромок-концентраторов износа, связанного с наличием таких концентраторов, позволяет решить поставленную задачу по достижению технического результата изобретения - повышения надежности защиты корпусов и их промывочных каналов от абразивного износа, что способствует резкому повышению стойкости всего долота и увеличения его проходки в бурении.Figure 6 shows the washing channel 4 after applying the subsequent cluster diamond coating 16, as a fragment of the inner surface of the bit and the inner surfaces of the washing channels. The high resistance of the cluster diamond coating of surfaces devoid of sharp edges, hubs of wear associated with the presence of such hubs, allows us to solve the problem to achieve the technical result of the invention - to increase the reliability of protection of casings and their flushing channels from abrasive wear, which contributes to a sharp increase in the durability of the entire bit and increasing its penetration in drilling.

Испытания в различных регионах РФ опытной партии буровых долот, оснащенных пластинами PDC и изготовленных по предлагаемому способу, полностью подтвердили высокую эффективность этого способа.Tests in various regions of the Russian Federation of an experimental batch of drill bits equipped with PDC plates and manufactured by the proposed method fully confirmed the high efficiency of this method.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №6564866, МПК E21B 10/00 от 20.05.2003 (аналог).1. US patent No. 6564866, IPC E21B 10/00 from 05/20/2003 (analog).

2. Каталог «Буровые долота. Калибраторы. Центраторы», изд. ОАО «Волгабурмаш», 2007, стр.41, 47 (прототип).2. Catalog “Drill bits. Calibrators Centralizers ", ed. Volgaburmash OJSC, 2007, p. 41, 47 (prototype).

Claims

A method of manufacturing drill bits equipped with PDC plates, in which turning and milling parts of the body are carried out, drilling channels for supplying flushing fluid from the internal cavity of the bit to the blades and cutting edges of rock cutting inserts with PDC plates, processing nests under them, installation in graphite nests plugs, hardfacing of the space between the plugs, removing graphite plugs and installing inserts with PDC plates instead of them, sealing the inserts, characterized in that then sharp the ki of the washing channels at their entrance from the inner cavity of the bit are deposited by melting with a carbide electrode until a circular chamfer area is formed of a round, oval shape, when a part of the channel extends to the lateral surface of the internal cavity of the bit, with a flat, concave or convex surface and at the same time reinforce the surfaces with carbide the electrode, and then the working surface of the bit, including the internal cavity and internal channels, are cleaned, degreased and applied to the outer and all the inner th surface including osazhennye, electrochemical method highly wear-resistant cluster-based coating of chromium to the microparticles diamond to 0.5 mm thickness, microhardness up to 1200 kg / mm ^2, a friction coefficient of less than 0.09.