RU2430233C1

RU2430233C1 - Diamond drilling bit

Info

Publication number: RU2430233C1
Application number: RU2010115587/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Митрофанович Панин (RU); Николай Митрофанович Панин; Юрий Евдокимович Будюков (RU); Юрий Евдокимович Будюков; Владимир Федорович Сорокин (RU); Владимир Федорович Сорокин
Original assignee: Николай Митрофанович Панин
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-09-27

Abstract

FIELD: mining. ^ SUBSTANCE: diamond drilling bit includes housing and matrix divided with flushing slots into reinforced working sectors with diamond elements; the above sectors have transverse cross section in the form of rectangle and rectangular trapezoids the inclined edges of which are directed to opposite sides. Working sectors of the bit are located step by step; at that, leading sectors are reinforced with more qualitative diamonds in comparison with other sectors. Sectors of trapezoidal shape are oriented with their inclined edges in turn towards walls of the well and core; at that, length of leading sectors is more than length of adjacent sectors, and their inclined edge is located on the side of the well walls. Quantity of leading sectors shall not be less than three and they shall be located uniformly in circumferential direction of the bit edge. ^ EFFECT: increasing drilling operating efficiency of the bit by improving the hole making and mechanical drilling speed owing to optimum location scheme of matrix sectors. ^ 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. The invention relates to the field of rock cutting tools, namely to drill bits with diamond weapons for drilling wells with coring.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, армированные алмазами (см. авт. св. СССР №308181, кл. E21B 10/48, 1970 г).A well-known diamond drill bit, comprising a housing and a matrix divided by flushing grooves into separate sectors reinforced with diamonds (see ed. St. USSR No. 308181, class E21B 10/48, 1970).

Недостатком этой коронки является малая механическая скорость бурения, обусловленная большой площадью поверхности алмазосодержащей матрицы, что приводит к значительному увеличению объема разрушенной породы. Другим недостатком данной коронки является необходимость создания высоких осевых нагрузок на коронку, что ведет к ускоренному износу бурильной колонны и увеличению числа ее обрывов.The disadvantage of this crown is the low mechanical drilling speed due to the large surface area of the diamond-containing matrix, which leads to a significant increase in the volume of the destroyed rock. Another disadvantage of this crown is the need to create high axial loads on the crown, which leads to accelerated wear of the drill string and an increase in the number of breaks.

Известна также алмазная буровая коронка, включающая кольцевой корпус, матрицу, разделенную промывочными пазами на алмазосодержащие секторы в виде прямоугольных трапеций с острыми углами при большом основании, причем острый угол каждого последующего сектора расположен со стороны, противоположной острому углу прямоугольной трапеции предыдущего сектора (см. авт. св. СССР №719192, кл. E21B 10/46. 1981 г.).A diamond drill bit is also known, including an annular body, a matrix divided by flushing grooves into diamond-containing sectors in the form of rectangular trapezoids with sharp corners with a large base, and the acute angle of each subsequent sector is located on the side opposite to the acute angle of the rectangular trapezoid of the previous sector (see author St. USSR No. 719192, class E21B 10/46. 1981).

К недостаткам данной коронки следует отнести увеличение контактной поверхности по мере износа матрицы, что ведет к снижению как механической скорости бурения, так и проходки.The disadvantages of this crown include an increase in the contact surface as the matrix wears, which leads to a decrease in both the mechanical drilling speed and penetration.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на ступенчато расположенные и армированные режущими элементами рабочие секторы, имеющие в вертикальной плоскости вид прямоугольников и прямоугольных трапеций, опережающие из которых армированы режущими элементами более высокого качества (см. патент UA №31911, кл. E21B 10/48, 2008 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a diamond drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into step sectors arranged in steps and reinforced with cutting elements, having a vertical view of rectangles and rectangular trapeziums, leading ones of which are reinforced with cutting elements more high quality (see UA patent No. 31911, class E21B 10/48, 2008).

Данная коронка обеспечивает более равномерный износ матрицы. Однако из-за неоптимальной схемы расположения секторов матрицы как проходка, так и скорость бурения весьма ограничены из-за быстрого выхода из строя опережающих секторов, особенно при бурении по трещиноватым породам. Связано это с тем, что основная часть осевой нагрузки воспринимается острыми кромками трапецеидальных секторов, которые к тому же имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с другими секторами. Это приводит к сколу опережающих режущих кромок, что может послужить причиной выхода из строя алмазов других секторов.This crown provides more uniform matrix wear. However, due to the non-optimal layout of the matrix sectors, both penetration and drilling speed are very limited due to the rapid failure of the leading sectors, especially when drilling through fractured rocks. This is due to the fact that the main part of the axial load is perceived by the sharp edges of the trapezoidal sectors, which also have a smaller cross section compared to other sectors. This leads to chipping of leading cutting edges, which can cause the failure of diamonds in other sectors.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы коронки путем увеличения проходки и механической скорости бурения за счет оптимальной схемы расположения секторов матрицы с учетом физико-механических свойств разбуриваемых пород.In connection with the stated technical result of the invention is to increase the efficiency of the crown by increasing the penetration and mechanical drilling speed due to the optimal layout of the sectors of the matrix, taking into account the physicomechanical properties of the drilled rocks.

Указанный технический результат достигается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на армированные режущими элементами рабочие секторы с поперечным сечением в виде прямоугольников и прямоугольных трапеций, опережающие из которых армированы режущими элементами более высокого качества, согласно изобретению трапецеидальной формы секторы ориентированы своими наклонными гранями поочередно в сторону стенок скважины и керна, причем длина опережающих секторов больше длины смежных секторов, а наклонная грань их расположена со стороны стенок скважины.The specified technical result is achieved in that in a diamond drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into working sectors reinforced with cutting elements with cross sections in the form of rectangles and rectangular trapezoid, leading ones of which are reinforced with cutting elements of higher quality, according to the invention of a trapezoidal shape the sectors are oriented with their inclined faces alternately towards the walls of the well and core, and the length of the leading sectors is greater than the length of the adjacent sectors, and the angled face them located by the walls of the well.

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

- количество опережающих секторов - не менее трех.- the number of leading sectors - at least three.

- опережающие секторы расположены равномерно по окружности торца коронки.- leading sectors are evenly spaced around the circumference of the crown end face.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид коронки со стороны ее рабочего торца; на фиг.2, 3 и 4 - схема выполнения секторов разного профиля.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 is a General view of the crown from the side of its working end; figure 2, 3 and 4 is a diagram of the execution of sectors of different profiles.

Предложенная алмазная буровая коронка содержит цилиндрический корпус 1 с присоединительной резьбой (не показана) и матрицу 2, разделенную промывочными пазами 3 на рабочие секторы, армированные режущими элементами, преимущественно естественными или искусственными алмазами. Рабочие секторы расположены ступенчато и выполнены с различным поперечным сечением. Часть секторов в радиальном сечении выполнена с поперечным сечением в виде прямоугольника 4, а другая часть в виде прямоугольных трапеций 5 и 6 с острыми углами при большом основании. При этом наклонные стороны трапеций 5 и 6 имеют противоположное направление. У секторов 5 наклонная боковая грань образует с осью коронки острый угол, вершина которого расположена со стороны резьбы коронки, а у опережающих секторов 6 - со стороны забоя скважины. При этом опережающие секторы 6 имеют большую длину - а, расположены равномерно по окружности торца коронки и армированы более качественными алмазами по сравнению с другими рабочими секторами 4 и 5.The proposed diamond drill bit contains a cylindrical body 1 with a connecting thread (not shown) and a matrix 2 divided by flushing grooves 3 into working sectors reinforced with cutting elements, mainly natural or artificial diamonds. The working sectors are arranged in steps and are made with different cross-sections. Part of the sectors in the radial section is made with a cross section in the form of a rectangle 4, and the other part in the form of rectangular trapezoid 5 and 6 with sharp angles with a large base. In this case, the inclined sides of the trapezoid 5 and 6 have the opposite direction. In sectors 5, the inclined side face forms an acute angle with the axis of the crown, the apex of which is located on the side of the crown thread, and in leading sectors 6, on the side of the well bottom. In this case, the leading sectors 6 have a large length - a, are evenly spaced around the circumference of the crown end and are reinforced with better diamonds compared to other working sectors 4 and 5.

В зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород секторы 4, 5 и 6 расположены на разных уровнях. В коронках для разбуривания трещиноватых пород опережающими являются секторы 6 с трапецеидальным поперечным сечением, наклонная грань которых расположена со стороны стенок скважины. Такая схема расположения секторов 6 обеспечивает лучшую сохранность кернового материала, особенно при бурении по разрушенным (трещиноватым) породам благодаря защите его от воздействия рабочих элементов других секторов 4 и 5, а также благодаря удалению раздробленнных частиц породы в существующие трещины на забое скважины, а также благодаря удалению их промывочной жидкостью. Количество секторов 6, расположенных с опережением относительно секторов 4 и 5, должно быть не менее трех, при этом - опережающие секторы должны быть расположены равномерно по окружности торца коронки. Наличие трех точек опоры, равномерно распределенных по окружности торца коронки, гарантирует работу коронки без биения, а следовательно, и без вибрации. Сохранению керна способствует также и центровка коронки за счет образования секторами 6 опережающей скважины, что особенно важно при бурении по трещиноватым породам, а также по пластам, содержащим полезное ископаемое. Учитывая, что рабочие элементы опережающих секторов 6 работают в наиболее трудных условиях, они армируются более качественными алмазами по сравнению с другими секторами. При разбуривании пород с другими физико-механическими свойствами схема расположения секторов 4, 5 и 6 может быть и другой.Sectors 4, 5 and 6 are located at different levels depending on the physicomechanical properties of the drilled rocks. In crowns for drilling fractured rocks, leading sectors are 6 with a trapezoidal cross section, the inclined face of which is located on the side of the borehole walls. This arrangement of sectors 6 provides better preservation of core material, especially when drilling through fractured (fractured) rocks due to its protection from the impact of working elements of other sectors 4 and 5, as well as due to the removal of fragmented rock particles into existing fractures at the bottom of the well, and also due to removing them with wash liquid. The number of sectors 6 located ahead of sectors 4 and 5 should be at least three, while leading sectors should be evenly spaced around the circumference of the crown end. The presence of three support points, evenly distributed around the circumference of the crown end face, guarantees the crown operation without beating, and therefore without vibration. Core preservation also contributes to the centering of the crown due to the formation of a leading well by sectors 6, which is especially important when drilling through fractured rocks, as well as along formations containing minerals. Given that the working elements of leading sectors 6 work in the most difficult conditions, they are reinforced with better diamonds compared to other sectors. When drilling rocks with other physical and mechanical properties, the layout of sectors 4, 5, and 6 may be different.

Принцип работы коронки заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента режущие элементы секторов 4, 5 и 6 внедряются в породу и производят ее разрушение. При этом благодаря ступенчатой схеме расположения секторов коронки обеспечивается объемное разрушение породы, значительно снижающее энергоемкость процесса бурения. Промывочная жидкость подхватывает разрушенную породу и выносит ее на поверхность. При этом промывочная жидкость, проходя под торцом опережающей ступени, образованной секторами 6, удаляется в затрубное пространство, не соприкасаясь больше с керновым материалом. Это благоприятно сказывается на сохранности кернового материала, что имеет особое значение при бурении по трещиноватым породам и пластам с полезными ископаемыми.The principle of operation of the crown is as follows. Under the action of axial load and torque, the cutting elements of sectors 4, 5 and 6 are introduced into the rock and produce its destruction. Moreover, due to the stepwise arrangement of the crown sectors, volumetric rock destruction is provided, which significantly reduces the energy consumption of the drilling process. Flushing fluid picks up the destroyed rock and brings it to the surface. In this case, the flushing fluid, passing under the end face of the advanced stage formed by sectors 6, is removed into the annulus, no longer in contact with the core material. This favorably affects the preservation of core material, which is of particular importance when drilling through fractured rocks and formations with minerals.

Таким образом, предложенное конструктивное выполнение коронки позволяет повысить ее технико-экономические показатели, а именно проходку и скорость бурения за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы и исключения вибрации бурового снаряда, а также увеличить выход керна при бурении по трещиноватым породам, а также по пластам, содержащим полезное ископаемое.Thus, the proposed constructive implementation of the crown allows to increase its technical and economic indicators, namely, penetration and drilling speed by reducing the energy consumption of the process of rock destruction and eliminating vibration of the drill, and also to increase the core yield when drilling through fractured rocks, as well as through the strata, containing minerals.

Claims

1. Diamond drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into stepwise arranged working sectors, having a vertical view of rectangles and rectangular trapezoidal, leading ones of which are reinforced with cutting elements of higher quality, characterized in that the trapezoidal sectors are oriented with their inclined faces alternately towards the walls of the well and core, and the length of the leading sectors is greater than the length of adjacent sectors, and their inclined face is located on the side s borehole wall.

2. The drill bit according to claim 1, characterized in that the number of leading sectors is at least three.

3. The drill bit according to claim 1, characterized in that the leading sectors are evenly spaced around the circumference of the crown end.