RU2515361C2 - Multi-row crown bit - Google Patents

Multi-row crown bit Download PDF

Info

Publication number
RU2515361C2
RU2515361C2 RU2012121511/03A RU2012121511A RU2515361C2 RU 2515361 C2 RU2515361 C2 RU 2515361C2 RU 2012121511/03 A RU2012121511/03 A RU 2012121511/03A RU 2012121511 A RU2012121511 A RU 2012121511A RU 2515361 C2 RU2515361 C2 RU 2515361C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tier
cutters
incisors
face
crown
Prior art date
Application number
RU2012121511/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012121511A (en
Inventor
Леонид Артемьевич Лачинян
Наталья Леонидовна Лачинян
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования" filed Critical Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования"
Priority to RU2012121511/03A priority Critical patent/RU2515361C2/en
Publication of RU2012121511A publication Critical patent/RU2012121511A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2515361C2 publication Critical patent/RU2515361C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to rock crushing tool. Proposed crown bit comprises several rows of cutters located at different spacing from well work face. Cutters, their holders and shanks made integral with the latter feature cylindrical shape and common rotational axis located at mid diameter of bit body or shifted towards larger bit body diameter on one side of cutters and towards smaller diameter on opposite part of cutters. Cylindrical shanks of holders with groove making the top and bottom ring ledges along with thrust bearing resting thereon and compression ring pack fit in blind holes from the bit body end parallel with its axis. Compression force of springs in every row complies with axial load of rock crushing for given row to be crushed thereby. Note here that every next superlying row is intended for higher-hardness rocks compared with previous underlying row while first row cutters stay in permanent contact therewith in drilling. Cutter holders of all moving rows along, apart from the top one, with pre-contracted packs of springs are retained in place due to thrust of cylinder shank flat groove top ledge against top face of thrust ring welded of two halves, fitted in ring groove made at bit body outer surface. while shanks of top row are retained by steel ball fitted via bit body side bore in ring groove made at shank lower end.
EFFECT: longer life, higher mechanical rate, lower power input, fast round-trip.
4 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения в часто перемежающихся по физико-механическим свойствам горных породах, преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником.The invention relates to a rock cutting tool designed for exploration drilling in often alternating physical and mechanical properties of rocks, mainly using double core pipes, including with a removable core receiver.

В таких сложных условиях бурения трудно обеспечить эффективность работы буровой коронки, так как существенное различие пород по твердости, абразивности и трещиноватости и их частая перемежаемость требуют соответствующее и принципиально отличное вооружение, которое невозможно совместить в одной стандартной буровой коронке. Это обусловливает значительные затраты времени на спуско-подъемные операции с целью замены буровой коронки на соответствующую изменившимся физико-механическим свойствам породы.In such difficult drilling conditions, it is difficult to ensure the efficiency of the drill bit, since a significant difference in rock hardness, abrasiveness and fracture and their frequent intermittency require appropriate and fundamentally excellent weapons, which cannot be combined in one standard drill bit. This leads to a significant investment of time in tripping operations in order to replace the drill bit with the corresponding physical and mechanical properties of the rock.

При этом, с одной стороны, стремление к максимальному увеличению ресурса коронки постепенно привело к чрезмерному насыщению ее торца породоразрушающими элементами в ущерб элементам промывки и, соответственно, к увеличению энергозатрат и снижению механической скорости бурения. С другой - резервы повышения долговечности буровой коронки за счет усиления вооружения практически исчерпаны, так как, например, возможность дальнейшего увеличения достигнутой в современной алмазной импрегнированной коронке высоты матрицы ограничена ресурсом подрезных резцов.At the same time, on the one hand, the desire to maximize the crown resource gradually led to excessive saturation of its end with rock-breaking elements to the detriment of the washing elements and, accordingly, to an increase in energy consumption and a decrease in the mechanical drilling speed. On the other hand, reserves to increase the durability of the drill bit due to increased armament are practically exhausted, since, for example, the possibility of further increasing the matrix height achieved in a modern diamond impregnated crown is limited by the resource of cutting tools.

Исследованиями последних лет установлено (см. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном инструменте / Коллектив авторов: Р.К.Богданов, А.П.Закора, A.M.Исонкин и др. Екатеринбуг: Изд-во УГГГА, 2003, 138 с.), что при оптимизации конструкций буровых коронок необходимо стремиться к уменьшению длины секторов алмазных и количества резцов твердосплавных коронок, сохраняя при этом равномерность нагрузки по их торцу. Так, в алмазных коронках диаметром 76 мм, при уменьшении длины сектора торца с 13 до 8 мм, ресурс их возрос на 64%, а уменьшение числа резцов твердосплавных коронок того же диаметра с 8 до 3 привело к увеличению механической скорости в 2 раза.Recent studies have established (see Superhard materials in a geological exploration tool / Collective of authors: R.K. Bogdanov, A.P. Zakora, AMIsonkin et al. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural State Geological Administration, 2003, 138 pp.), Which, upon optimization structures of drill bits, it is necessary to strive to reduce the length of the diamond sectors and the number of carbide cutters, while maintaining a uniform load on their end. So, in diamond crowns with a diameter of 76 mm, with a decrease in the length of the end sector from 13 to 8 mm, their resource increased by 64%, and a decrease in the number of cutters of carbide crowns of the same diameter from 8 to 3 led to a twofold increase in mechanical speed.

Известна алмазная буровая коронка (а.с. №1689581, авторы Белов A.M. и др.) с дополнительным корпусом, несущим свой ряд резцов и соединенным с основным посредством заклепок, которые срезаются осевым усилием после срабатывания резцов, расположенных на дополнительном корпусе, благодаря чему в работу вступают резцы основного корпуса коронки.A well-known diamond drill bit (AS No. 1689581, authors Belov AM and others) with an additional body bearing its own set of cutters and connected to the main one through rivets that are cut by axial force after operation of the cutters located on the additional case, due to which the cutters of the main body of the crown enter the work.

Известна также, как более близкий аналог, двухъярусная буровая коронка (а.с. №161008, авторы Лачинян Л.А. и др.), принятая за прототип, резцы верхнего неподвижного яруса которой установлены непосредственно на корпусе коронки, а нижнего (временно неподвижного) установлены также на корпусе коронки, но на временных опорах с амортизирующим наполнителем. В данной коронке сначала работают резцы нижнего яруса, на которые, после затупления резцов, создают избыточное осевое усилие, в результате чего резцы этого яруса срезают временную опору и, вдавливаясь в тело коронки через амортизирующий наполнитель, обеспечивают бурение резцами верхнего яруса.Also known as a closer analogue, a two-tiered drill bit (AS No. 161008, authors L. Lachinyan and others), adopted as a prototype, the cutters of the upper fixed tier of which are mounted directly on the crown body, and the lower (temporarily fixed ) are also installed on the crown body, but on temporary supports with shock absorbing filler. First, the lower tier cutters work on this crown, upon which, after the blunting of the cutters, they create an excessive axial force, as a result of which the cutters of this tier cut the temporary support and, pressing into the crown body through the shock-absorbing filler, provide drilling with the upper tier cutters.

Такая коронка, как/и упомянутая выше, имеет в сравнении с обычной более высокий ресурс, позволяет существенно снизить энергоемкость процесса бурения и повысить его механическую скорость. Однако возможность увязки вооружения такой коронки с часто меняющимися физико-механическими свойствами встречаемых пород ограничена, так как после срабатывания первого яруса резцов он не восстанавливается для встречи вновь изменившейся породы, т.е. имеет одноразовое применение.Such a crown, as / and mentioned above, has a higher resource in comparison with the usual one, it allows to significantly reduce the energy consumption of the drilling process and increase its mechanical speed. However, the possibility of linking the armament of such a crown with the frequently changing physicomechanical properties of the rocks encountered is limited, since after the triggering of the first tier of the incisors, it is not restored to meet the newly changed rock, i.e. has a single use.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности работы буровой коронки, с одной стороны, путем снабжения ее универсальным набором вооружения и в обеспечении оперативного включения в работу той группы минимально необходимого вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости, и с другой - за счет увеличения ее вооруженности резцами, обрабатывающими стенки скважины и керн.The objective of the invention is to increase the efficiency of the drill bit, on the one hand, by supplying it with a universal set of weapons and in ensuring prompt inclusion in the work of the group of minimum necessary weapons that most fully corresponds to the physicomechanical properties of rocks passing at a given time at an unlimited frequency their intermittency, and on the other - by increasing its armament with cutters that process the walls of the well and core.

Для решения этой задачи в буровой коронке, включающей несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки или смещена у одной части резцов данного яруса в сторону большего диаметра корпуса, а у другой - в сторону меньшего, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие проточку, образующую верхний и нижний круговой уступ, вместе с упирающимися в них упорным подшипником и пакетом пружин сжатия, входят, также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.To solve this problem, in the drill bit, which includes several tiers of cutters located at different distances from the bottom of the well, the cutters, toolholders firmly connected with them, and also the shanks made in parallel with the toolholders have a cylindrical shape and a common axis of rotation, which is located on the average diameter of the end face the crown housing or is shifted at one part of the incisors of this tier towards the larger diameter of the housing, and at the other towards the smaller, moreover cylindrical shanks of the holders having a groove forming the upper and lower circles oic ledge in abutting together with them and the thrust bearing package compression springs, are also a minimum clearance and rotatable around its axis in the blind holes made from the end crowns of the body parallel to its axis.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.The compression force of the spring pack of each tier corresponds to the axial load of rock destruction, for drilling of which this tier of cutters is intended. Moreover, each subsequent upstream tier of the cutters, counting from the bottom, is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower tier, and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling.

В то же время хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатыми упорными подшипниками и пакетами пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним кольцевым уступом расточки хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, а хвостовики державок верхнего яруса резцов - благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика.At the same time, the tool holder shanks of the cutters of all tiers, except the upper one, together with the pre-pressed thrust bearings and spring packs, are prevented from falling out of their holes due to the stop by the upper ring step of the tool holder shanks into the upper face of the support ring welded from two halves, with a minimum clearance in diameter installed in the corresponding annular groove made on the outer surface of the crown body, and the shanks of the holders of the upper tier of the incisors - thanks to the steel ball installed through a side opening in the body of the crown at its end in the annular groove formed at the lower end of the shank.

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса.When creating an axial load on the face that exceeds the limit for the cutters of the first tier from the bottom, the spring package of this tier is compressed and simultaneously the cutters of the second tier come into operation with its cutters.

При дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого. И, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.With a further increase in the load on the face to a value exceeding the total ultimate load of the first and second tier of the incisors, the shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, abutting their lower annular ledge against the lower face of the mentioned support ring, raise the incisors of the second from the bottom of the incisor, thereby ensuring work incisors of the subsequent, third from the bottom, tier along with incisors of the first. And, on the contrary, in the case of reducing the load on the face in the reverse sequence, they enter into the work, also in the reverse sequence, first together the cutters of the second and first tier and then only the cutters of the first.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и 2 схематично изображены трехъярусная и четырехъярусная алмазная буровая коронка, ось вращения резцов которой расположена на среднем диаметре торца ее корпуса. Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны. Нумерация ярусов начинается с ближнего к забою.The invention is illustrated by drawings, where Figures 1 and 2 schematically depict a three-tier and four-tier diamond drill bit, the axis of rotation of the cutters of which is located on the average diameter of the end face of its body. To simplify the drawings and their greater visibility, washing windows, slurry grooves and sealing elements are not shown. Tier numbering begins with the one closest to the face.

Здесь показаны:Shown here:

фиг.1 - трехъярусная буровая коронка с четырьмя державками резцов на каждом ярусе;figure 1 - three-tiered drill bit with four tool holders on each tier;

фиг.2 - четырехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом ярусе;figure 2 - four-tiered drill bit with three tool holders on each tier;

на фиг.3 представлен вид по А-А (см. фиг.1) трехъярусной буровой коронки, а на фиг.4 - ее развертка (вид по внешнему диаметру) с местным разрезом по среднему ее диаметру.figure 3 presents a view along aa (see figure 1) of a three-tiered drill bit, and figure 4 - its scan (view of the outer diameter) with a local section along its average diameter.

Трехъярусная буровая коронка (см. фиг.3 и 4) отличается тем, что резцы 1, прочно связанные с ними державки 2, а также выполненные заодно с державками хвостовики 3 имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, расположенную на среднем диаметре торца корпуса коронки. Цилиндрические хвостовики 3 державок, имеющие проточку, образующую верхний 4 и нижний кольцевой уступ 5, вместе с упирающимися в них упорным подшипником 6, пятой 15 и пакетами пружин сжатия 7, входят также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси в глухие отверстия 8, выполненные с торца тела коронки 16 параллельно ее оси.The three-tiered drill bit (see Figs. 3 and 4) is characterized in that the cutters 1, the toolholders 2, which are firmly connected with them, and the shanks 3, which are integral with the toolholders, have a cylindrical shape and a common axis of rotation located on the average diameter of the end face of the crown body. Cylindrical shanks 3 of the holders having a groove forming the upper 4 and lower annular ledge 5, together with the thrust bearing 6, the fifth 15 and packages of compression springs 7 resting on them, also enter with a minimum clearance and the possibility of rotation around their axis into blind holes 8, made from the end face of the body of the crown 16 parallel to its axis.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.The compression force of the spring pack of each tier corresponds to the axial load of rock destruction, for drilling of which this tier of cutters is intended. Moreover, each subsequent upstream tier of the cutters, counting from the bottom, is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower tier, and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling.

Хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатыми упорным подшипником 6 и пакетами пружин 7, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним кольцевым уступом 4 проточки хвостовиков державок в верхнюю грань 9 сваренного из двух половин опорного кольца 10, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз 11, выполненный на наружной поверхности тела коронки. Хвостовики державок верхнего яруса удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику 12, установленному через отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика (фиг.4).The shanks of the toolholders of the cutters of all tiers, except the upper one, together with the pre-pressed thrust bearing 6 and the spring packs 7, are prevented from falling out of their holes due to the stop by the upper ring step 4 of the grooves of the tool shanks into the upper face 9 of the support ring 10 welded from two halves, s the minimum gap in diameter installed in the corresponding annular groove 11, made on the outer surface of the body of the crown. The shanks of the upper tier holders are kept from falling out of their holes due to the steel ball 12 installed through the hole in the body of the crown at its end into an annular groove made at the lower end of the shank (Fig. 4).

Кольцевой паз вместе с опорным кольцом защищен от внешних воздействий металлическим или пластиковым кожухом 13 (на фиг.4 не показан).The annular groove together with the support ring is protected from external influences by a metal or plastic casing 13 (not shown in Fig. 4).

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 проточки хвостовиков в нижнюю грань 14 упомянутого опорного кольца 10, приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.When creating an axial load on the face that exceeds the limit for the cutters of the first tier from the bottom, the spring package of this tier is compressed, and simultaneously the cutters of the second tier come into operation, and with a further increase in the load on the face to a value exceeding the total maximum load of the first and the second tier of the incisors, the cylindrical shanks of the holders of the first tier of the incisors from the bottom, abutting their lower annular ledge 5 of the groove of the shanks to the lower face 14 of the aforementioned support ring 10, raise the incisors of the second from Aboy of the tier, thereby ensuring the work of the incisors of the subsequent, third from the bottom, tier along with the cutters of the first, and, conversely, in the case of reducing the load on the face in the reverse sequence, they also enter the work, in the reverse sequence, first together the cutters of the second and first tier and then only the incisors of the first.

Заявляемая конструкция многоярусной буровой коронки позволяет решить поставленную задачу.The inventive design of a multi-tiered drill bit allows you to solve the problem.

Действительно, резцы первого от забоя яруса разрушают породу при условии, что осевая нагрузка на забой соответствует силе сжатия пакета пружин этого яруса. При встрече более твердой породы и, как следствие, создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов этого яруса, пакеты его пружин сжимаются и в работу, вместе с резцами первого яруса, вступают резцы второго яруса. При этом породу разрушают резцы второго яруса, а резцы первого работают в режиме самозатачивания. При встрече еще более твердой породы и дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 проточки хвостовика 3 в нижнюю грань 14 опорного кольца 10 (фиг.3 и 4), приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого.Indeed, the cutters of the first tier from the bottom face destroy the rock, provided that the axial load on the face corresponds to the compressive force of the spring package of this tier. When a harder rock is encountered and, as a result, an axial load on the face is exceeded that exceeds the limit for the cutters of this tier, the packs of its springs are compressed and the cutters of the second tier come along with the cutters of the first tier. In this case, the cutters are destroyed by the incisors of the second tier, and the incisors of the first work in self-sharpening mode. When meeting even harder rock and further increasing the load on the face to a value exceeding the total ultimate load of the first and second tier of the incisors, the cylindrical shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, abutting their lower annular step 5 of the groove of the shank 3 in the lower face 14 of the support ring 10 (Figs. 3 and 4), raise the incisors of the second tier from the bottom of the bottom, thereby ensuring the operation of the incisors of the next, third from the bottom, tier along with the cutters of the first.

В этом случае породу разрушают резцы третьего яруса, а резцы первого также находятся в режиме самозатачивания. При изменении твердости пород и соответственно нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.In this case, the cutters are destroyed by the incisors of the third tier, and the incisors of the first are also in the self-sharpening mode. When changing the hardness of the rocks and, accordingly, the load on the face in the reverse sequence, they also enter the work, in the reverse sequence, first together the cutters of the second and first tier and then only the cutters of the first.

Таким образом, применение предлагаемой многоярусной буровой коронки, благодаря универсальности набора вооружения и возможности включения в работу той минимально необходимой группы вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в каждый данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости, позволяет существенно повысить эффективность процесса бурения за счет снижения энергоемкости процесса, повышения механической скорости, ресурса коронки и экономии времени на ее замену, в особенности при бурении со съемным керноприемником. Резцы имеют возможность вращения вокруг своей оси.Thus, the use of the proposed multi-tiered drill bit, due to the versatility of the weapon kit and the possibility of including the minimum necessary weapon group that most closely matches the physicomechanical properties of the rocks passed at any given time at an unlimited frequency of their alternation, can significantly increase the efficiency of the process drilling by reducing the energy intensity of the process, increasing the mechanical speed, resource of the crown and saving time on its deputy well, particularly when drilling with a removable core receiver. Cutters have the ability to rotate around its axis.

В данном случае (см. фиг.1) оси резцов расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки и сцепление каждого резца со стенкой скважины обусловливает его вращение против часовой стрелки, а сцепление с керном, наоборот, - по часовой стрелке. Но, поскольку крутящий момент вращения точек резца относительно оси коронки по внешнему диаметру больше, то, в конечном итоге, резец должен проворачиваться против часовой стрелки. Вместе с тем, в результате сцепления резца с центральной частью кольцевого забоя под действием осевой нагрузки, одновременно с вращением происходит проскальзывание резца и создаются условия возникновения практически всех видов разрушения горных пород - истирание, резание, скалывание, смятие и раздавливание в различных комбинациях в зависимости от их физико-механических свойств и применяемых режимов бурения.In this case (see Fig. 1), the axes of the incisors are located on the average diameter of the end face of the crown body and the adhesion of each incisor to the wall of the well causes it to rotate counterclockwise, and the adhesion to the core, on the contrary, clockwise. But, since the torque of rotation of the points of the cutter relative to the axis of the crown in the outer diameter is greater, then, in the end, the cutter must turn counterclockwise. At the same time, as a result of the engagement of the cutter with the central part of the annular face under the action of axial load, the cutter slips along with the rotation and conditions are created for almost all types of rock destruction - abrasion, cutting, chipping, crushing and crushing in various combinations depending on their physico-mechanical properties and the applicable drilling modes.

В случае же расположения 2-х резцов каждого яруса ближе к наружному диаметру коронки, а 2-х других - к внутреннему, то, поскольку они контактируют или только со стенкой скважины, или только с керном, с учетом контакта их также с центральной частью забоя, степень проскальзывания резцов будет значительно меньше, и, как следствие, преимущественную реализацию получит наиболее эффективный вид разрушения горной породы - смятие и раздавливание (см. Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин: Справочное пособие. - М.: Недра, 1991. - 334 с.: ил.)In the case of the location of 2 incisors of each tier closer to the outer diameter of the crown, and 2 others to the inner, then, since they are in contact only with the wall of the well, or only with the core, taking into account their contact with the central part of the face , the degree of slipping of the incisors will be much less, and, as a result, the most effective type of rock destruction — crushing and crushing — will prevail (see Sulakshin S.S. Exploration well drilling: Reference manual. - M .: Nedra, 1991. - 334 p.: Ill.)

Вращение резцов вокруг своей оси обеспечивает более высокую вооруженность коронки подрезными резцами. Матрицу, например, обычной алмазной буровой коронки можно представить в виде набора штабиков квадратной формы со стороной «а», равной ширине матрицы. В каждом таком штабике подрезные алмазы можно разместить только на внутренней и внешней стороне квадрата, т.е. на длине 2а. В предлагаемой коронке штабики выполнены цилиндрической формы с диаметром той же величины «а», и подрезные алмазы расположены по всей длине окружности штабика, т.е. на длине 3,14а, и поэтому вооруженность подрезными алмазами в цилиндрическом штабике в 1,57 раза выше (3,14а:2а=1,57). Учитывая, что цилиндрические резцы установлены с зазором и их общая площадь забоя за счет этого чуть меньше, чем у обычной, преимущество в вооруженности подрезными алмазами выше не в 1,57, а в 1,5 раза. Следовательно, при прочих равных условиях долговечность такой коронки в сравнении с обычной также в 1,5 раза выше.The rotation of the incisors around its axis provides higher armament of the crown with scoring incisors. The matrix, for example, of a conventional diamond drill bit can be represented as a set of square-shaped posts with side “a” equal to the width of the matrix. In each such headquarters, cutting diamonds can only be placed on the inside and outside of the square, i.e. on the length of 2a. In the proposed crown, the racks are made of cylindrical shape with a diameter of the same value “a”, and the cutting diamonds are located along the entire circumference of the racks, i.e. over a length of 3.14a, and therefore the armament with cutting diamonds in a cylindrical head is 1.57 times higher (3.14a: 2a = 1.57). Considering that cylindrical cutters are installed with a gap and their total face area is therefore slightly less than that of a conventional one, the advantage in arming with cutting diamonds is not 1.57 but 1.5 times higher. Therefore, ceteris paribus, the durability of such a crown in comparison with the usual is also 1.5 times higher.

Наличие у резцов амортизаторов в виде пакетов пружин сжатия резко снижает действие ударных нагрузок, возникающих в результате продольных и поперечных колебаний бурового снаряда и приводящих к скалыванию резцов, в особенности алмазных, как наиболее хрупких, и, следовательно, пружины-амортизаторы способствуют повышению долговечности буровой коронки.The presence of shock absorbers in the form of compression spring packs dramatically reduces the effect of shock loads resulting from longitudinal and transverse vibrations of the drill string and leading to chipping of the cutters, especially diamond ones, as the most fragile ones, and, therefore, shock-absorbing springs contribute to increasing the drill bit durability .

Пример реализации предлагаемой многоярусной буровой коронки.An example implementation of the proposed multi-tiered drill bit.

В качестве примера принимаем трехъярусную импрегнированную алмазную коронку с наружным и внутренним диаметром соответственно 75,31 и 47,62 мм, т.е. соответствующую по габаритным параметрам коронке размера WLN по ISO 10097-1:1999(Е) для бурения со съемным керноприемником. Толщина матрицы коронки по данному стандарту 13,8 мм. В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы трехъярусной алмазной коронки, представленной на фиг.1, 3 и 4. Учитывая, что ресурс подрезных резцов предлагаемой коронки в 1,5 раза выше в сравнении с обычной, высоту матрицы ее увеличиваем также в 1,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение долговечности.As an example, we take a three-tier impregnated diamond crown with an outer and inner diameter of 75.31 and 47.62 mm, respectively. corresponding to overall dimensions, a WLN-sized bit according to ISO 10097-1: 1999 (E) for drilling with a removable core receiver. The thickness of the crown matrix according to this standard is 13.8 mm. In these overall parameters, all the structural elements of the three-tiered diamond crown shown in Figs. 1, 3 and 4 are placed. Considering that the resource of the cutting tools of the proposed crown is 1.5 times higher in comparison with the usual one, we also increase the matrix height by 1.5 times, which provides a corresponding increase in durability.

Диаметр проточки хвостовика, образующей верхний и нижний круговой уступ, равен 4 мм. В качестве упорного подшипника принят шарик диаметром 6 мм по ГОСТ 3722-81 с пятой.The diameter of the shank groove forming the upper and lower circular ledge is 4 mm. A ball with a diameter of 6 mm according to GOST 3722-81 with a fifth is adopted as a thrust bearing.

Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах V-X категорий буримости, в том числе резцами ярусов: первого - V-VI, второго - VI-VIII, третьего - VIII-Х категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.Drilling is carried out using a shell with a removable core receiver in rocks of V-X drillability categories, including longline cutters: the first - V-VI, the second - VI-VIII, the third - VIII-X drillability categories. Rotational speed - up to 1500 rpm.

Удельную осевую нагрузку принимаем в соответствии с рекомендациями для алмазного бурения (см. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов / Н.В.Соловьев и др.; под общ. ред. Н.В.Соловьева. - М.: Высш. шк., - 2007, 904 с.; ил.) в зависимости от категории пород по буримости соответственно для резцов 3-х ярусов (кН/см2): V-VI - 0,4-0,6; VI-VIII - 0,6-0,8 и VIII-X - 0,8-1,0. Всего в работе 12 резцов, в том числе по 4 резца в каждом ярусе. Соответственно, площади рабочей поверхности резцов с учетом промывочных окон и шламовых пазов составляют по 2,1 см2 на резец и, следовательно по 8,4 см2 в каждом ярусе. Согласно этим параметрам осевые нагрузки на резцы каждого яруса составят (кН): 1-й ярус - 3,8-5,2 (на один резец 0,8-1,3); 2-й ярус - 5,2-6,8 (на один резец 1,3-1,7) и 3-й ярус - 6,8-8,4 (на один резец 1,7-2,1).The specific axial load is taken in accordance with the recommendations for diamond drilling (see Drilling exploratory wells. Textbook for universities / N.V. Soloviev and others; under the general editorship of N.V. Soloviev. - M.: Higher school ., - 2007, 904 s .; ill.) Depending on the rock category according to drillability, respectively, for cutters of 3 tiers (kN / cm 2 ): V-VI - 0.4-0.6; VI-VIII - 0.6-0.8 and VIII-X - 0.8-1.0. In total, there are 12 incisors, including 4 incisors in each tier. Accordingly, the area of the working surface of the cutters, taking into account the washing windows and slurry grooves, is 2.1 cm 2 per cutter and, therefore, 8.4 cm 2 in each tier. According to these parameters, the axial loads on the cutters of each tier will be (kN): 1st tier - 3.8-5.2 (for one cutter 0.8-1.3); 2nd tier - 5.2-6.8 (for one incisor 1.3-1.7) and 3rd tier - 6.8-8.4 (for one incisor 1.7-2.1).

Резцы коронки представлены алмазоносными штабиками, припаянными к державкам всех ярусов резцов, причем, как условно показано на схематических чертежах, чем выше твердость пород, тем мельче алмазы. При этом максимальная деформация (ход) пакета пружин резцов первого яруса составляет h1=9 мм, второго - h2=6 мм, третьего - h3=3 мм (см. фиг.5).Crown incisors are represented by diamond-bearing pads soldered to the holders of all tiers of incisors, and, as conventionally shown in the schematic drawings, the higher the hardness of the rocks, the finer the diamonds. In this case, the maximum deformation (stroke) of the spring package of the cutters of the first tier is h 1 = 9 mm, of the second - h 2 = 6 mm, of the third - h 3 = 3 mm (see figure 5).

По мере роста осевой нагрузки резцы первого яруса, выбирая первые 2 мм своего хода, разрушают породы V категории и, затем, в пределах хода пружин в 1 мм, совместно с вступившими в работу резцами 2-го яруса, разрушают породу VI категории. С дальнейшим увеличением осевой нагрузки, резцы 2-го яруса, в пределах хода своих пружин в 3 мм, разрушают сначала породу VII и, затем, совместно с резцами 3-го яруса, - породу VIII категории. Далее, цилиндрические хвостовики державок резцов 1-го яруса, вступивших в режим самозатачивания, после хода в 6 мм, под действием возросшей осевой силы, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 в нижнюю грань 14 опорного кольца 10, отрывают резцы 2-го яруса от забоя, открывая возможность продолжения работы резцам 3-го яруса для разрушения пород VIII-X категорий буримости при нагрузке на резец 1,7-2,1 кН или при общей нагрузке на коронку 6,8-8,4 кН.As the axial load increases, the cutters of the first tier, choosing the first 2 mm of their stroke, destroy the rocks of the V category and, then, within the course of the springs of 1 mm, together with the cutters of the 2nd tier that come into operation, destroy the rocks of the VI category. With a further increase in axial load, the incisors of the 2nd tier, within the range of their springs of 3 mm, first destroy the rock VII and, then, together with the incisors of the third tier, the rock of the VIII category. Further, the cylindrical shanks of the holders of the cutters of the 1st tier, which entered the self-sharpening mode, after a stroke of 6 mm, under the action of increased axial force, abutting their lower annular step 5 against the lower face 14 of the support ring 10, tear off the cutters of the 2nd tier from the face , opening up the possibility of continued work of the 3rd tier cutters for the destruction of rocks of VIII-X drillability categories with a load on the cutter of 1.7-2.1 kN or with a total crown load of 6.8-8.4 kN.

Таким образом, при изменении осевой нагрузки на коронку в ту или иную сторону, в любой последовательности и при любой ее величине в пределах заданных границ, в работу вступают резцы, предназначенные для разрушения соответствующей данной нагрузке породы. Очевидно, что эта принципиальная схема работы коронки может быть использована и применительно к породам, которые отличаются не только твердостью, но и трещиноватостью или абразивностью. При этом вооружение резцов коронки должно соответствовать этим физико-механическим свойствам пород согласно назначению каждого яруса резцов.Thus, when the axial load on the crown changes in one direction or another, in any sequence and at any value within the specified boundaries, cutters are designed to break the rock corresponding to the given load. Obviously, this basic scheme of the crown can be used with rocks that are not only hard, but also fractured or abrasive. In this case, the armament of the crown cutters should correspond to these physical and mechanical properties of the rocks according to the purpose of each tier of the cutters.

Для обеспечения режима самозатачивания и во избежание заполирования алмазов резцов 1-го яруса коронки, твердость материала матрицы их штабиков подбираем в соответствии с абразивностью пород, предназначенных для разрушения резцами 2-го и 3-го яруса, т.е., в данном случае, VII-X категорий буримости.To ensure the self-sharpening mode and to avoid polishing diamonds of the cutters of the 1st tier of the crown, the hardness of the material of the matrix of their beads is selected in accordance with the abrasiveness of the rocks intended for destruction by the cutters of the 2nd and 3rd tier, i.e., in this case, VII-X categories of drillability.

Кроме того, поскольку резцы первого яруса находятся в постоянном контакте с забоем скважины, они могут быть усилены подрезными вставками из композиционного материала типа твесал, которые располагаются непосредственно в алмазоносном штабике с перекрытием торцевого слоя благодаря чему полный износ последнего может произойти только после износа вставок твесала. Принимая во внимание значительные осевые нагрузки, действующие на резцы подвижных ярусов, выбираем для их восприятия пакеты тарельчатых пружин по ГОСТ 3057-90. Учитывая толщину стенки тела корпуса коронки (12,8 мм), принимаем пружину №020 с наружным диаметром 8 мм, сила которой при максимальной деформации составляет F3=400 Н. Номинальный диаметр отверстий и цилиндрических хвостовиков державок 8,3 мм.In addition, since the cutters of the first tier are in constant contact with the bottom of the well, they can be reinforced with scoring inserts made of composite material of the Twesal type, which are located directly in the diamond-bearing staff with the overlapping end layer, so that the latter can only wear out after the wear of the inserts. Taking into account the significant axial loads acting on the cutters of the moving tiers, we choose packages of Belleville springs according to GOST 3057-90 for their perception. Given the thickness of the body wall of the crown body (12.8 mm), we take spring No. 020 with an outer diameter of 8 mm, the force of which at maximum deformation is F 3 = 400 N. The nominal diameter of the holes and cylindrical shanks of the holders is 8.3 mm.

Рассчитываем число пружин для первого яруса резцов. Оно представлено двумя группами пружин: параллельной и последовательной сборки. При рабочей деформации 0,8 F3=341 Н и в соответствии с максимальной осевой нагрузкой на резец первого яруса (1300 Н) необходимое число пружин параллельной сборки составитWe calculate the number of springs for the first tier of the incisors. It is represented by two groups of springs: parallel and sequential assembly. With a working strain of 0.8 F 3 = 341 N and in accordance with the maximum axial load on the cutter of the first tier (1300 N), the required number of springs of parallel assembly will be

n1=1300:341=3,80,n 1 = 1300: 341 = 3.80,

принимаем n1=4 шт.accept n 1 = 4 pcs.

Максимальная деформация группы пружин параллельной сборки составитThe maximum deformation of a group of springs of parallel assembly will be

Sпар.с=S3=0,17 мм,S par . S = S 3 = 0.17 mm,

где S1 - максимальная деформация пружины №020.where S 1 - maximum deformation of the spring №020.

Поскольку общий ход пакета пружин резца первого яруса принят равным h1=9 мм (см. фиг.5), максимальная деформация группы пружин последовательной сборки составитSince the total stroke of the spring pack of the cutter of the first tier is taken equal to h 1 = 9 mm (see figure 5), the maximum deformation of the group of springs of sequential assembly will be

Sпoc.с=9-0,17=8,83 ммS post.s = 9-0.17 = 8.83 mm

Число группы пружин последовательной сборки в пакете равноThe number of sequential assembly springs in the package is

n=8,83:0,17=51,94,n = 8.83: 0.17 = 51.94,

принимаем n=52 шт.accept n = 52 pcs.

Высота группы пружин параллельной сборки в пакете в свободном состоянииHeight of a group of springs of parallel assembly in a package in a free state

L п а р . с = I о + ( n 1 1 ) t , ( 1 )

Figure 00000001
L P but R . from = I about + ( n one - one ) t , ( one )
Figure 00000001

гдеWhere

Iо - высота пружины, мм;I about - the height of the spring, mm;

t - толщина пружины, мм.t is the thickness of the spring, mm

Lпар.с=0,67+(4-1)0,5=2,17 мм.L par . S = 0.67 + (4-1) 0.5 = 2.17 mm.

Высота группы пружин последовательной сборки в свободном состоянииFree spring group height

Lпос.с=Iо×n=0,67×52=34,84 мм.L pos.s = I o × n = 0.67 × 52 = 34.84 mm.

Общая высота пакета пружин в свободном состоянииTotal height of the spring pack in the free state

2,17+34,84=37,0 мм.2.17 + 34.84 = 37.0 mm.

Общая высота пакета пружин резца первого яруса с предварительной деформацией 0,2 F3 (с поджатием при установке) составитThe total height of the spring pack of the cutter of the first tier with a preliminary deformation of 0.2 F 3 (with preload during installation) will be

37,0-37,0×0,2=29,6 мм.37.0-37.0 × 0.2 = 29.6 mm.

Аналогично для резца второго яруса получаем необходимое число группы пружин параллельной сборки n1=1700: 341=4,98; принимаем n1=5 шт.; Sпар.с=0,17 мм; поскольку максимальная деформации пакета пружин принята равной h2=6 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен Sпос.с=6-0,17=5,83 мм; тогда n=5,83: 0,17=34,29, принимаем n=34 шт.;Similarly, for the cutter of the second tier we get the required number of springs of parallel assembly n 1 = 1700: 341 = 4.98; accept n 1 = 5 pcs.; S par. S = 0.17 mm; since the maximum deformation of the spring package is taken equal to h 2 = 6 mm (see Fig. 5), the total stroke of the group of springs of sequential assembly will be equal to S pos = 6-0.17 = 5.83 mm; then n = 5.83: 0.17 = 34.29, take n = 34 pcs.;

Lпар.с=0,67+(5-1)0,5=2,67 мм; Lпос.с=0,67×34=22,78 мм; общая высота пакета пружин резца второго яруса в свободном состоянии 22,78+2,67=25,45 мм; то же с предварительной деформацией 0,2 F3 составит 25,45-25,45×0,2=20,36 мм.L par.s = 0.67 + (5-1) 0.5 = 2.67 mm; L pos.s = 0.67 × 34 = 22.78 mm; the total height of the spring pack of the cutter of the second tier in the free state is 22.78 + 2.67 = 25.45 mm; the same with preliminary deformation of 0.2 F 3 will be 25.45-25.45 × 0.2 = 20.36 mm.

Для резцов третьего яруса также получаем необходимое число группы пружин параллельной сборки n 1=2100: 341=6,16; принимаем n1=6 шт.; Sпар.с=0,17 мм; поскольку максимальная деформация пакета пружин принята равной h3=3 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен Sпос.с=3-0,17=2,83 мм; тогда n=2,83:0,17=16,64, принимаем n=17 шт.For incisors of the third tier, we also obtain the required number of springs of parallel assembly n 1 = 2100: 341 = 6.16; accept n 1 = 6 pcs.; S par. S = 0.17 mm; since the maximum deformation of the spring package is taken equal to h 3 = 3 mm (see Fig. 5), the total stroke of the group of springs of sequential assembly will be equal to S pos = 3-0.17 = 2.83 mm; then n = 2.83: 0.17 = 16.64, take n = 17 pcs.

Lпар.с=0,67+(6-1)0,5=3,17 мм; Lпос.с=0,67×17=11,39 мм; общая высота пакета пружин резца третьего яруса в свободном состоянии 3,17+11,39=14,56 мм. То же с предварительной деформацией 0,2 F3 составит 14,5-14,56×0,2=11,65 мм.L par . S = 0.67 + (6-1) 0.5 = 3.17 mm; L pos.s = 0.67 × 17 = 11.39 mm; the total height of the spring pack of the cutter of the third tier in the free state is 3.17 + 11.39 = 14.56 mm. The same with preliminary deformation of 0.2 F 3 will be 14.5-14.56 × 0.2 = 11.65 mm.

Проверяем прочность тела коронки, которое, в местах сопряжения цилиндрического хвостовика державки подвижного резца со стенкой отверстия, испытывает напряжения смятия от действия окружной силы вращения при разрушении породы на забое. В качестве материала для корпуса коронки примем сталь 35 с пределом текучести 294 Н/мм2.We check the strength of the body of the crown, which, at the junctions of the cylindrical shank of the holder of the movable cutter with the wall of the hole, experiences shear stress from the action of the peripheral rotation force when the rock is destroyed at the bottom. As the material for the body of the crown we take steel 35 with a yield strength of 294 N / mm 2 .

Максимальные напряжения возникают в отверстиях третьего яруса резцов, в котором максимальная осевая сила на забой составляет 8,4 кН. Сначала определяем затраты мощности на вращение обычной алмазной коронки из следующей зависимости (см. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: В 2-х томах / Под общей редакцией проф. Е.А. Козловского. - Том 2. - М.: Недра, 1984, 437 с.):The maximum stresses occur in the holes of the third tier of the cutters, in which the maximum axial force at the bottom is 8.4 kN. First, we determine the power consumption for the rotation of a conventional diamond core from the following relationship (see the Manual of an engineer for drilling exploration wells: In 2 volumes / Under the general editorship of Prof. EA Kozlovsky. - Volume 2. - M .: Nedra, 1984 , 437 p.):

N = 0,81 × 10 8 P × n в р ( D н + D в ) , ( 2 )

Figure 00000002
N = 0.81 × 10 - 8 P × n at R ( D n + D at ) , ( 2 )
Figure 00000002

гдеWhere

P - осевая нагрузка на коронку, Н;P - axial load on the crown, N;

nвр - частота вращения коронки, об/мин;n BP - crown rotation frequency, rpm;

Dн - наружный диаметр коронки, мм;D n - the outer diameter of the crown, mm;

Dв - внутренний диаметр коронки, мм.D in - the inner diameter of the crown, mm

Поскольку Р=8400 Н; nвр=1500 об/мин; Dн=75,31 мм; Dв=47,62 мм, имеемSince P = 8400 N; n BP = 1500 rpm; D n = 75.31 mm; D in = 47.62 mm, we have

N=0,81×10-8×6000×1500(75,31+47,62)=12,6 кВт.N = 0.81 × 10 -8 × 6000 × 1500 (75.31 + 47.62) = 12.6 kW.

Из 12 резцов в работе участвуют только 4, т.е. 33% от общей площади торца обычной коронки, и, следовательно, затраты мощности соответственно составятOf the 12 incisors, only 4 are involved in the work, i.e. 33% of the total area of the end face of a conventional crown, and, consequently, the cost of power will be

12,6×0,33=4,16 кВт.12.6 × 0.33 = 4.16 kW.

Тогда крутящий момент на коронкеThen the torque on the crown

Мкр=9552×4,16:1500=26,5 Нм.M cr = 9552 × 4.16: 1500 = 26.5 Nm.

Учитывая, что радиус буровой коронки равенGiven that the radius of the drill bit is

R=75,31:2:1000=0,0376 мR = 75.31: 2: 1000 = 0.0376 m

и что одновременно работают 4 резца, находим расчетную окружную силу на один резецand that 4 cutters work simultaneously, we find the calculated circumferential force per one cutter

qрез.р=Mкр:R:4=26,5:0.0376:4=176 Н.q res.r = M cr : R: 4 = 26.5: 0.0376: 4 = 176 N.

Площадь S от внутренней поверхности отверстия диаметром d=8,3 мм, воспринимающая боковую нагрузку смятия, будет равна:The area S from the inner surface of the hole with a diameter of d = 8.3 mm, perceiving the lateral load of collapse, will be equal to:

S о т = 3,14 × d × h : 2 ( 3 )

Figure 00000003
S about t = 3.14 × d × h : 2 ( 3 )
Figure 00000003

где h - высота сопряжения цилиндрического хвостовика с нижней кромкой внутренней поверхности отверстия, связанная с его перекосом, величина которого зависит от зазора между отверстием и цилиндрическим хвостовиком державки. Учитывая, что цилиндрический хвостовик входит в отверстие с минимальным зазором (например, по скользящей посадке), принимаем величину h=0,2 мм. Тогдаwhere h is the mating height of the cylindrical shank with the lower edge of the inner surface of the hole associated with its bias, the value of which depends on the gap between the hole and the cylindrical shaft of the holder. Given that the cylindrical shank enters the hole with a minimum clearance (for example, along a sliding fit), we take the value h = 0.2 mm. Then

Sот=3,14×8,3×0,2:2=2,60 мм2,S from = 3.14 × 8.3 × 0.2: 2 = 2.60 mm 2 ,

и напряжение смятия будет равноand the crushing stress will be equal

176:2,60=67,7 Н/мм2.176: 2.60 = 67.7 N / mm 2 .

При нагрузке смятия допускаемое напряжение для стали 35 составит 294×2,25=662 Н/мм2, где 294 - предел текучести стали 35, Н/мм2, а запас прочности тела корпуса коронки на смятие будет равенWith a shear load, the permissible stress for steel 35 will be 294 × 2.25 = 662 N / mm 2 , where 294 is the yield strength of steel 35, N / mm 2 , and the margin of safety of the body of the crown body for shearing will be equal to

662:67,7=9,8,662: 67.7 = 9.8,

что достаточно.which is enough.

Проверяем на смятие материал опорного кольца и кольцевого уступа проточки цилиндрического хвостовика державки резца первого яруса от действия осевой нагрузки на забой. Максимальная нагрузка имеет место в сопряжении этих двух элементов коронки при совместной работе первого и третьего яруса резцов, когда нагрузка на резец первого яруса составит суммарную нагрузку резца первого и второго яруса, т.е.We check for crushing the material of the support ring and the annular ledge of the groove of the cylindrical shank of the holder of the cutter of the first tier from the action of the axial load on the face. The maximum load occurs in the conjugation of these two elements of the crown during the joint work of the first and third tiers of the incisors, when the load on the incisor of the first tier is the total load of the incisor of the first and second tiers, i.e.

1,3+1,7=3 кН=3000 H.1.3 + 1.7 = 3 kN = 3000 H.

Опорная площадь кольцевого уступа, образованного проточкой диаметром 4 мм цилиндрического хвостовика диаметром 8,3 мм, на контакте с гранью опорного кольца составляет (см. фиг.4) 25% от общей площади кольцевого уступа хвостовика:The supporting area of the annular ledge formed by a groove with a diameter of 4 mm of a cylindrical shank with a diameter of 8.3 mm, at the contact with the face of the supporting ring is (see Fig. 4) 25% of the total area of the annular ledge of the shank:

Sоп=(8,32-42)×0,785×0,25=10,4 мм2.S op = (8.3 2 -4 2 ) × 0.785 × 0.25 = 10.4 mm 2 .

Напряжение смятия кольцевого уступа цилиндрического хвостовика и сопрягаемой поверхности опорного кольца составитThe shear stress of the annular ledge of the cylindrical shank and the mating surface of the support ring will be

3000:10,4=288 Н/мм2,3000: 10.4 = 288 N / mm 2 ,

а запас прочности на смятие, с учетом допускаемого напряжения для стали 35 будет равенand the margin of safety, taking into account the permissible stress for steel 35, will be equal to

662:288=2,3,662: 288 = 2.3,

что достаточно.which is enough.

Проверяем прочность опорной поверхности упорного подшипника, представляющего собой шарик диаметром 6 мм с пятой. Согласно ГОСТ 3722-81 твердость шарика не менее 62HRC, разрушающая сила 16170 Н (1650 кг).We check the strength of the supporting surface of the thrust bearing, which is a ball with a diameter of 6 mm and a fifth. According to GOST 3722-81, the ball hardness is not less than 62HRC, the breaking strength is 16170 N (1650 kg).

Запас прочности определяем для пяты и рабочего торца хвостовика, сегментная поверхность которых, в сопряжении с шариком, определяется следующей зависимостью:The margin of safety is determined for the heel and the working end of the shank, the segment surface of which, in conjunction with the ball, is determined by the following dependence:

S = 3,14 × d × H , ( 4 )

Figure 00000004
S = 3.14 × d × H , ( four )
Figure 00000004

гдеWhere

d - диаметр шарика;d is the diameter of the ball;

Н - высота сегментной поверхности на контакте шарика с пятой или рабочим торцом хвостовика.H is the height of the segmented surface at the contact of the ball with the fifth or working end of the shank.

При d=6 мм и Н=2 мм имеемFor d = 6 mm and H = 2 mm, we have

S=3,14×6×2=37,68 мм2.S = 3.14 × 6 × 2 = 37.68 mm 2 .

Максимальное напряжение смятия в подшипнике (на рабочей поверхности пяты или хвостовика):Maximum collapse stress in the bearing (on the working surface of the heel or shank):

3000 Н:37,68=79,6 Н/мм2.3000 N: 37.68 = 79.6 N / mm 2 .

Запас прочности, при допускаемом напряжении на смятие 662 Н/мм2, составитSafety margin, with a permissible stress on the collapse of 662 N / mm 2

662:79,6=8,4,662: 79.6 = 8.4,

что достаточно.which is enough.

Для обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей пяты и хвостовика подвергаем их карбонитрации, что повышает твердость этих поверхностей до 56 HRC и приближает к твердости поверхности шарика.To ensure high wear resistance of the working surfaces of the heel and shank, we subject them to carbonitration, which increases the hardness of these surfaces to 56 HRC and brings them closer to the hardness of the ball surface.

Приведенный пример реализации предлагаемой конструкции многоярусной буровой коронки при оптимальных параметрах режима бурения и с учетом реальных нагрузок, воспринимаемых наиболее ответственными элементами конструкции в процессе разрушения забоя, показал ее работоспособность и высокую прочность согласно своему назначению. Применение такой буровой коронки позволит при прочих равных условиях повысить ее ресурс в 1,5 раза, увеличить механическую скорость, снизить энергоемкость процесса бурения и значительно сократить затраты времени на спуско-подъемные операции для ее замены.The given example of the implementation of the proposed design of a multi-tiered drill bit with optimal parameters of the drilling mode and taking into account the real loads perceived by the most critical structural elements during the destruction of the face showed its performance and high strength according to its purpose. The use of such a drill bit will allow, ceteris paribus, to increase its resource by 1.5 times, increase the mechanical speed, reduce the energy consumption of the drilling process and significantly reduce the time required for tripping to replace it.

Claims (1)

Многоярусная буровая коронка, включающая несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, отличающаяся тем, что резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки или смещена у одной части резцов данного яруса в сторону большего диаметра корпуса, а у другой - в сторону меньшего, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие расточку, образующую верхний и нижний круговой уступ, вместе с упирающимися в них упорным подшипником и пакетом пружин сжатия, входят также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси, а сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов, и при этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения, в то же время, хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатым упорным подшипником и пакетом пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом кругового паза цилиндрических хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, а хвостовики державок верхнего яруса резцов - благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика, причем при создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса, и, затем, только резцы первого. A multi-tiered drill bit, including several tiers of cutters located at different distances from the bottom of the well, characterized in that the cutters, toolholders firmly connected with them, and also the shanks made in parallel with the toolholders have a cylindrical shape and a common axis of rotation, which is located on the average diameter of the end face the crown body or is displaced at one part of the incisors of this tier towards the larger diameter of the housing, and at the other - towards the smaller, with cylindrical shanks of the holders having a bore forming the upper and The lower circular ledge, together with the thrust bearing and the compression spring package resting on them, also enter, with a minimum clearance and the possibility of rotation around its axis, into blind holes made from the end face of the crown body parallel to its axis, and the compression force of the spring package of each tier corresponds to the axial load destruction of the rock, for drilling of which this tier of cutters is intended, and in this case, each subsequent upstream tier of cutters, counting from the bottom, is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling, at the same time, the shanks of the toolholders of the cutters of all tiers, except the upper one, together with the pre-pressed thrust bearing and the spring pack are prevented from falling out of their holes due to the stop the upper ledge of the circular groove of the cylindrical shanks of the holders in the upper face of the support ring welded from two halves, with a minimum clearance in diameter installed in the corresponding annular groove made on the outer surface the body of the crown, and the shanks of the holders of the upper tier of the incisors - thanks to the steel ball installed through the side hole in the body of the crown at its end in an annular groove made at the lower end of the shank, and when creating an axial load on the face that exceeds the limit for the incisors of the first from the bottom tier, the spring pack of this tier is compressed, and simultaneously with its cutters, the cutters of the second tier come into operation, and with a further increase in the load on the face to a value exceeding the total ultimate load of the first and W horny tier of incisors, cylindrical shanks of the holders of the first tier of incisors from the bottom, abutting their lower annular ledge to the lower face of the mentioned support ring, raise and lower the incisors of the second from the bottom of the tier into the body of the crown end face, thereby ensuring the operation of the incisors of the next, third from the bottom, tier together with the incisors of the first, and, conversely, in the case of reducing the load on the face in the reverse order, they also come into operation, also in the reverse order, first together the incisors of the second and first tier, and then ko cutters first.
RU2012121511/03A 2012-05-25 2012-05-25 Multi-row crown bit RU2515361C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121511/03A RU2515361C2 (en) 2012-05-25 2012-05-25 Multi-row crown bit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121511/03A RU2515361C2 (en) 2012-05-25 2012-05-25 Multi-row crown bit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012121511A RU2012121511A (en) 2013-11-27
RU2515361C2 true RU2515361C2 (en) 2014-05-10

Family

ID=49625093

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012121511/03A RU2515361C2 (en) 2012-05-25 2012-05-25 Multi-row crown bit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2515361C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117967190A (en) * 2024-03-28 2024-05-03 山东金岭矿业股份有限公司 Drilling device for geological survey

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU161008A1 (en) *
SU876947A1 (en) * 1978-06-01 1981-10-30 Кузбасский Политехнический Институт Combination rotary-bit and blade drilling tool
SU1506060A1 (en) * 1987-08-27 1989-09-07 Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного промышленного объединения "Союзгеотехника" Crown bit
SU1506063A2 (en) * 1987-07-06 1989-09-07 Казахский политехнический институт им.В.И.Ленина Crown bit
RU2167261C1 (en) * 2000-03-16 2001-05-20 Иркутский государственный технический университет Diamond drill bit
RU2353748C1 (en) * 2007-11-15 2009-04-27 Николай Митрофанович Панин Bore bit

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU161008A1 (en) *
SU876947A1 (en) * 1978-06-01 1981-10-30 Кузбасский Политехнический Институт Combination rotary-bit and blade drilling tool
SU1506063A2 (en) * 1987-07-06 1989-09-07 Казахский политехнический институт им.В.И.Ленина Crown bit
SU1506060A1 (en) * 1987-08-27 1989-09-07 Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного промышленного объединения "Союзгеотехника" Crown bit
RU2167261C1 (en) * 2000-03-16 2001-05-20 Иркутский государственный технический университет Diamond drill bit
RU2353748C1 (en) * 2007-11-15 2009-04-27 Николай Митрофанович Панин Bore bit

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012121511A (en) 2013-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108661565B (en) Multi-ridge diamond compact
US3357507A (en) Percussion bit
RU2615560C2 (en) Drill bit with modular cutters and controlled drilling specific pressure
EP2910727A1 (en) Frac plug mill bit
ITTO20010009A1 (en) ROTARY TOOL FOR DRILLING WITH TOOTHED BLADES WITH LATERAL-REDUCED MOVEMENT AND UNDERGROUND DRILLING PROCEDURE.
WO1985002223A1 (en) Hybrid rock bit
CN208122768U (en) A kind of heavy caliber drilling construction diamond bit
US6102143A (en) Shaped polycrystalline cutter elements
CN105874144A (en) No-waterway or single waterway drill bits and systems and methods for using same
CN205823175U (en) There is the PDC drill bit of anti-torsion impact
RU2515358C2 (en) Multi-row crown bit
RU2515361C2 (en) Multi-row crown bit
RU2298077C1 (en) Crown bit
US20140182939A1 (en) Percussion drill bit with conical cutting elements
CN205146302U (en) Bionical quartering hammer drill rod
RU2515354C2 (en) Multi-row crown bit
CN209444280U (en) A kind of gear wheel-PDC cutting structure composite drill bit
CN106522940A (en) Abrasion-resistant tool bit
CN102364032B (en) Fixed cutting-tooth drilling bit
RU2513049C1 (en) Impregnated diamond crown bit
RU2392411C1 (en) Drilling bit cutter
RU2373368C2 (en) Thermal-friction rock-breaking tool
CN2921253Y (en) Tri-cone rotary drill bit cutting structure with build-up welding pinion
CN2932362Y (en) Impregnated diamond core bit matrix structure
CN112709536A (en) PDC drill bit that anti awl was milled

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150526