RU2801724C1 - Буровая коронка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к горному делу, а точнее к буровому инструменту ударно-поворотного действия. Техническим результатом является уменьшение энергоемкости процесса бурения и улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи. Буровая коронка содержит корпус с породоразрушающей поверхностью, центральное сквозное отверстие и твердосплавные инденторы. Породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки. Твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды. Количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из определенного соотношения, зависящего от порядкового номера окружности при отсчете от центра коронки. Диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки. 4 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относиться к горному делу, а точнее к буровому инструменту ударно-поворотного действия.

Известна буровая коронка (Авторское свидетельство СССР №276858, опубл. 07.10.1985) с твердосплавными штыревыми вставками, имеющая выполненную в форме усеченного конуса вогнутую породоразрушающую поверхность, обеспечивающую улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи. Штыревые вставки расположены так, чтобы их количество, приходящихся на единицу вогнутой поверхности, было меньше, чем количество вставок, приходящихся на единицу периферийной поверхности.

Недостатком такой конструкции буровой коронки является расположение штыревых вставок, приводящее к низкой эффективности бурения вследствие повышенной энергоемкости разрушения породы.

Известна буровая коронка (Авторское свидетельство РФ №1789645, опубл. 23.01.1993), содержащая корпус с рабочей головкой, армированной в торцевой части породоразрушающими вставками, которые установлены группами по три вставки, причем центры вставок в группе расположены друг от друга на расстоянии от 1,3d до d, где d - это диаметр вставки.

Недостатком буровой коронки является расстояние между вставками, расположенными в отдельных группах, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушении от соседних вставок, что приводит к низкой эффективности бурения.

Известна буровая коронка для ударно-поворотного бурения (Патент РФ №2077650, опубл. 20.04.1997), содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава.

Недостатком данной конструкции коронки является расположение вставок на периферии, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушения от соседних вставок, что приводит к увеличению энергоемкости разрушения.

Известна также буровая коронка (Патент РФ №2646637, опубл. 06.03.2018), которая состоит из корпуса, ударной поверхности корпуса и инденторов заданного диаметра с заданным радиусом их рабочего выступа. На ударной поверхности корпуса коронки выполнено концентрическое углубление глубиной не менее рабочего выступа индентора и диаметром не менее двух диаметров индентора. Инденторы расположены по краю концентрического углубления.

Недостатком данной буровой коронки является расположение вставок по краю концентрического углубления, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушении от соседних вставок, что приводит к увеличению энергоемкости разрушения.

Известная буровая коронка (Патент РФ № 2655455, опубл. 28.05.2018), принятая за прототип, содержащая корпус, ударную поверхность корпуса и инденторы. Инденторы, не являющиеся периферийными относительно центра ударной поверхности корпуса, расположены на разных радиусах от центра ударной поверхности корпуса по лучам, проведенным из этого центра через заданный угол. Коронка отличается пониженной энергоемкостью бурения за счет разрушения горной породы по концентрическим линиям, проведенным из центра забоя через заданный угол.

Недостатком такой конструкции является расположение инденторов по лучам, проведенным из центра ударной поверхности корпуса, приводящее к необходимости нанесения ударов при повороте коронки на строго определенный угол, иначе не произойдет разрушение горной породы по концентрическим линиям и, как следствие, по всей поверхности забоя, что приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения, а выполнение ударной поверхности выпуклой формы не способствует повышению качества очистки забоя от буровой мелочи при осуществлении ударно-поворотного бурения.

Техническим результатом является уменьшение энергоемкости процесса бурения и улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи.

Технический результат достигается тем, что породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки, твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды, при этом количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из соотношения

$$z=6\cdot k$$ , где

k - порядковый номер окружности при отсчете от центра коронки, а диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки.

Буровая коронка поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - общий вид устройства;

фиг. 2 - схема установки инденторов;

фиг. 3 - 3D-модель устройства;

фиг.4 - схема разрушения забоя скважины буровой коронкой;

1 - корпус;

2 - породоразрушающая поверхность;

3 - твердосплавные инденторы;

4 - центральное сквозное отверстие;

5 - синусоида;

6 - концентрические окружности;

7 - пространство между соседними твердосплавными инденторами;

8 - зона разрушения горной породы под твердосплавным индентором.

Буровая коронка состоит из корпуса 1 (фиг. 1) с породоразрушающей поверхностью 2, на которой выполнены отверстия, в которые жестко установлены твердосплавные инденторы 3. В корпусе 1 выполнено центральное сквозное отверстие 4. Породоразрушающая поверхность 2 образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды 5, описываемой в прямоугольной системе координат уравнением

$$y=\frac{H}{2}\sin \left(\frac{3\pi }{D}x-\frac{\pi }{2}\right)$$ , где

D - диаметр коронки;

Н - глубина вогнутой части, которая составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки D. Такой интервал размера глубины вогнутой части Н выбран потому, что при Н=0,2D и больше угол наклона геометрической оси твердосплавных инденторов к оси коронки составляет больше 45°, что приводит к изгибающим нагрузкам и нарушению жесткой установки твердосплавных инденторов в отверстия. При Н=0,15D и менее невозможно обеспечить жесткую установку в отверстия периферийных твердосплавных инденторов.

Твердосплавные инденторы 3 жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности 2 равномерно по трем концентрическим окружностям 6 (фиг. 2), которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды 5. Количество твердосплавных инденторов 3 на каждой окружности 6 выбирается из соотношения:

$$z=6\cdot k$$ , где

z - количество твердосплавных инденторов;

k - порядковый номер концентрической окружности при отсчете от центра коронки.

Количество твердосплавных инденторов, равное 6k, выбрано потому, что при меньшем количестве не обеспечивается разрушение породы в пространстве 7 (фиг. 4) между соседними твердосплавными инденторами, так как образуемое расстояние между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой не обеспечивает взаимного влияния зон разрушения, а при большем происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов.

Диаметр твердосплавных инденторов 3 выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки D, а геометрическая ось каждого твердосплавного индентора является нормалью синусоиды. Интервал диаметра d твердосплавных инденторов выбран потому, что при d > D/6,58 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов. При d < D/9,12 разрушение горной породы в пространстве между соседними твердосплавными инденторами не происходит, так как образуемое расстояние между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой не обеспечивает взаимного влияния зон разрушения.

Предлагаемые соотношения размеров и параметров буровой коронки были подобраны экспериментально при испытании буровой коронки в процессе разрушения горной породы высокой крепости. Испытывались буровые коронки с жестко установленными двумя твердосплавными инденторами с переменным расстоянием между точками контакта твердосплавных инденторов с горной породой. Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - результаты экспериментальных испытаний
Отношение расстояния l И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора	Отношение напряжения σ МИ горной породы в пространстве между соседними инденторами к напряжению σ КР , при котором происходит контактное разрушение горной породы
l И / d	σ МИ / σ КР
1,22	1,87
1,30	1,54
1,38	1,49
1,46	1,38
1,54	1,25
1,63	1,08
1,71	1,03
1,79	0,93

По результатам видно, что при отношении расстояния l _И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора больше 1,71 разрушение горной породы в пространстве между твердосплавными инденторами не происходит.

В таблице 2 представлены расчеты размеров и параметров буровой коронки при различных значениях диаметра буровой коронки и диаметра твердосплавных инденторов согласно заявленным признакам.

Таблица 2 - результаты расчетов размеров и параметров буровой коронки при различных значениях диаметра буровой коронки и диаметра твердосплавных инденторов согласно заявленным признакам.
Диаметр коронки, D, мм	Диаметр индентора, d, мм	D/d	Расстояние между точками контакта соседних инденторов с горной породой, l И , мм	l И /d	Проверка условия l И /d ≤ 1,71	Примечание
32	3,2	10,000	6,27	1,959	Не выполняется
	4,2	7,619	6,73	1,602	Выполняется
	5,2	6,154	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
34	3,2	10,625	7,12	2,225	Не выполняется
	4,2	8,095	6,75	1,607	Выполняется
	5,2	6,538	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
36	4,2	8,571	7,14	1,700	Выполняется
	5,2	6,923	7,14	1,373
40	4,2	9,524	7,92	1,886	Не выполняется
	5,2	7,692	8,28	1,592	Выполняется
	6,2	6,452	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
43	4,2	10,238	8,50	2,024	Не выполняется
	5,2	8,269	8,87	1,706	Выполняется
	6,2	6,935	8,43	1,360
48	5,2	9,231	9,84	1,892	Не выполняется
	6,2	7,742	9,40	1,516	Выполняется
	7,2	6,667	9,04	1,256
50	5,2	9,615	10,23	1,967	Не выполняется
	6,2	8,065	9,79	1,579	Выполняется
	7,2	6,944	9,43	1,310
54	5,2	10,385	11,02	2,119	Не выполняется
	6,2	8,710	10,57	1,705	Выполняется
	7,2	7,500	10,20	1,417
	8,2	6,585	10,50	1,280		(D/d)min=6,58
57	6,2	9,194	11,15	1,798	Не выполняется
	7,2	7,917	10,79	1,499	Выполняется
	8,2	6,951	11,02	1,344
64	7,2	8,889	12,15	1,688	Выполняется
	8,2	7,805	12,80	1,561
	9,2	6,957	12,80	1,391
	10,2	6,27	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
70	7,2	9,722	13,31	1,849	Не выполняется
	8,2	8,537	13,97	1,704	Выполняется
	9,2	7,609	13,97	1,518
	10,2	6,863	13,97	1,370
	11,2	6,250	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
76	7,2	10,556	13,65	1,896	Не выполняется
	8,2	9,268	14,19	1,730	Не выполняется
	9,2	8,261	14,19	1,542	Выполняется
	10,2	7,451	14,19	1,391
	11,2	6,786	15,14	1,352
83	8,2	10,122	16,20	1,976	Не выполняется
	9,2	9,022	15,47	1,682	Выполняется
	10,2	8,137	16,50	1,618
	11,2	7,411	16,50	1,473
	12,3	6,748	16,50	1,341
89	11,2	7,946	17,66	1,577	Выполняется
	12,3	7,236	17,66	1,436
	13,3	6,692	17,66	1,328
93	10,2	9,118	17,24	1,690	Выполняется	(D/d)max=9,12
	11,2	8,304	18,44	1,646
	12,3	7,561	19,90	1,618
	13,3	6,992	18,44	1,386
	14,3	6,503	происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов
102	11,2	9,107	18,94	1,691	Выполняется
	12,3	8,293	20,19	1,641
	13,3	7,669	20,19	1,518
	14,3	7,133	20,92	1,463
	15,3	6,667	20,19	1,320
115	12,3	9,350	22,72	1,847	Не выполняется
	13,3	8,647	22,72	1,708	Выполняется
	14,3	8,042	23,44	1,639
	15,3	7,516	23,81	1,556
	16,3	7,055	24,71	1,516
127	12,3	10,325	25,05	2,037	Не выполняется
	13,3	9,549	25,05	1,883
	14,3	8,881	24,11	1,686	Выполняется
	15,3	8,301	26,14	1,708
	16,3	7,791	26,51	1,626
140	14,3	9,790	28,30	1,979	Не выполняется
	15,3	9,150	28,67	1,874
	16,3	8,589	27,09	1,662	Выполняется

Из приведенных данных видно, что условие, когда отношение расстояния l _И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора меньше или равно значению 1,71, при котором происходит разрушение горной породы в пространстве между соседними инденторами, выполняется при диаметре d твердосплавных инденторов от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки D.

Работает буровая коронка в совокупности с бурильной машиной ударно-поворотного действия. Буровая коронка вставляется в корпус машины до соприкосновения со штангой-волноводом. Энергия привода машины преобразуется в энергию удара, которая через штангу-волновод передается на буровую коронку. Далее энергия удара передается через породоразрушающую поверхность 2 (фиг. 3) корпуса 1 (фиг. 4) твердосплавным инденторам 3. Под действием ударной нагрузки твердосплавные инденторы 3 забуриваются в забой скважины, и происходит разрушение горной породы не только под каждым твердосплавным индентором 3, но и в пространстве между соседними твердосплавными инденторами 7, так как обеспечивается взаимное влияние зон разрушения горной породы под твердосплавным индентором 8, то есть за один удар происходит разрушение по всей поверхности забоя. После чего буровая коронка поворачивается на любой угол. Через центральное сквозное отверстие 4 подается сжатый воздух или промывочная жидкость, и через вогнутую часть породоразрушающей поверхности 2 во всех направлениях между твердосплавными инденторами 3 происходит очистка забоя скважины от разрушенной буровой мелочи, находящейся не только в пространстве между твердосплавными иденторами, но и под ними.

В результате уменьшается энергоемкость процесса бурения и улучшается очистка забоя скважины от буровой мелочи за счет наличия в конструкции буровой коронки вогнутой части породоразрушающей поверхности, на которой в отверстия жестко установлены твердосплавные инденторы с расстоянием, гарантировано обеспечивающим взаимное влияние зон разрушения от соседних твердосплавных инденторов.

Claims (3)

1. Буровая коронка, содержащая корпус с породоразрушающей поверхностью, центральное сквозное отверстие и твердосплавные инденторы, отличающаяся тем, что породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки, твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды, при этом количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из соотношения
2. $$z=6\cdot k$$ ,
3. где k – порядковый номер окружности при отсчете от центра коронки, а диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки.