UA80616C2

UA80616C2 - Drill bit

Info

Publication number: UA80616C2
Application number: UAA200511943A
Authority: UA
Inventors: Robert Kostiantynovyc Bohdanov; Oleksandr Oleksandr Shulzhenko; Anatolii Petrovych Zakora; Oleksandr Mykhailovych Isonkin
Original assignee: Bakul Inst Of Superhard Materi; Robert Kostiantynovyc Bohdanov; Oleksandr Oleksandr Shulzhenko; Anatolii Petrovych Zakora; Oleksandr Mykhailovych Isonkin
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-10-10

Abstract

A drill bit has a body and diamond-bearing matrix fixed on it, it is separated with washing slots to sectors reinforced with wear-proof cylindrical inserts of synthetic diamonds with different diameters. The inserts are placed in central part of each sector at circle of the same diameter. Diameters of the inserts decrease in circular direction from falling part of sector.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід Стосується породоруйнівного інструмента, а саме до бурових коронок, і може бути використаний при 2 бурінні геологорозвідувальних свердловин.The invention relates to a rock-destructive tool, namely to drill bits, and can be used when 2 drilling geological exploration wells.

Відома алмазна бурова коронка |див. авт. св. СРСР Мо1417526, МПК 4 Е21В10/48, 1984г.), що містить корпус з алмазоносною матрицею у вигляді кільця, поперечний переріз якого виконано у вигляді клина з опуклими по дузі кола боковими поверхнями, біля вершини якого закріплені зносостійкі вставки у вигляді частини кільця, вісь якого співпадає з віссю матриці, розділеної промивними пазами на сектори. 70 Відома також бурова коронка |див. авт. св. СРСР Мо1458547, МПК 4 Е21810/48, опубл. 15.02.89, Бюл. Мобі, що містить корпус з алмазоносною матрицею, розділеною промивними пазами на сектори, армовані вставками з різними міцністю і концентрацією алмазів на вставках з надтвердого матеріалу, розміщеними на внутрішній і зовнішній поверхні сектора з виходом на робочий торець коронки.The famous diamond drill bit | see author St. USSR Mo1417526, IPC 4 E21В10/48, 1984), containing a case with a diamond-bearing matrix in the form of a ring, the cross-section of which is made in the form of a wedge with convex side surfaces along the arc of a circle, near the top of which wear-resistant inserts are fixed in the form of a part of a ring, axis which coincides with the axis of the matrix divided into sectors by washing grooves. 70 The drill bit is also known | see author St. USSR Mo1458547, IPC 4 E21810/48, publ. 15.02.89, Bull. Moby, containing a case with a diamond-bearing matrix divided by washing grooves into sectors, reinforced with inserts with different strength and concentration of diamonds on inserts made of superhard material, placed on the inner and outer surface of the sector with access to the working end of the crown.

Відома також найбільш близька по технічній суті бурова коронка див. патент України Мо4403 МПК 7 12. Е21В10/48, опубл. 17.01.05), що містить корпус з алмазоносною матрицею, розділеної промивними пазами на сектори, армовані похило встановленими до торця корпусу і виступаючими відносно нього циліндричними різцями із синтетичних алмазів, у якій циліндричні різці нахилені до торця матриці таким чином, що діагональна площина, що проходить через діаметрально протилежні точки основ циліндра різця, і що ділить його навпіл, збігається з торцевою площиною матриці, оптимальним при цьому буде, якщо розмір алмазів у матриці складає 0,07-0,14 діаметра різця, а площа контактної поверхні сектора матриці в 1,8-2,4 разів більша сумарної площі контактної поверхні різців у секторі.Also known is the drill bit, which is the closest in terms of technical essence, see patent of Ukraine Mo4403 IPC 7 12. E21B10/48, publ. 17.01.05), containing a case with a diamond-bearing matrix divided by washing grooves into sectors, reinforced with cylindrical cutters made of synthetic diamonds obliquely installed to the end of the case and protruding relative to it, in which the cylindrical cutters are inclined to the end of the matrix in such a way that the diagonal plane that passes through the diametrically opposite points of the base of the cutter cylinder, and what divides it in half coincides with the end plane of the matrix, it will be optimal if the size of the diamonds in the matrix is 0.07-0.14 of the diameter of the cutter, and the area of the contact surface of the matrix sector is 1 .8-2.4 times greater than the total area of the contact surface of the incisors in the sector.

Недоліки описаних бурових коронок полягають у великій енергоємності процесу передруйнування породи упродовж усього періоду роботи інструмента через недостатньо продуману схему розташування різців у матриці і вибору розмірів площ контактних поверхонь секторів матриці стосовно площі контактної поверхні кожного різця с в секторі, що приводить до зниження ефективності руйнівної здатності бурової коронки, що руйнує, і зниженню (3 механічної швидкості буріння.The disadvantages of the described drill bits are the high energy consumption of the process of rock destruction during the entire period of tool operation due to an insufficiently thought-out arrangement of cutters in the matrix and the selection of the sizes of the areas of the contact surfaces of the sectors of the matrix in relation to the area of the contact surface of each cutter c in the sector, which leads to a decrease in the effectiveness of the destructive capacity of the drilling the crown, which destroys, and the reduction (3) of the mechanical speed of drilling.

В основу винаходу поставлена задача такого удосконалення бурової коронки, при якому за рахунок розміщення вставок у центральній частині кожного сектора на колі одного діаметра зі зменшенням діаметрів вставок в коловому напрямку від частини сектора, що набігає, забезпечується можливість зниження о енергоємності процесу передруйнування породи упродовж усього періоду роботи інструмента, при цьому «-- забезпечується найбільш ефективний винос шламу з зони відпрацьовування і, як наслідок, забезпечується підвищення руйнівної здатності бурової коронки з одночасним підвищенням механічної швидкості буріння. ее,The invention is based on the task of improving the drill bit, in which, due to the placement of inserts in the central part of each sector on a circle of the same diameter with a decrease in the diameters of the inserts in the circular direction from the part of the approaching sector, the possibility of reducing the energy intensity of the process of rock destruction throughout the entire period is provided operation of the tool, while "-- the most effective removal of sludge from the working area is ensured and, as a result, an increase in the destructive capacity of the drill bit with a simultaneous increase in the mechanical speed of drilling is ensured. eh

Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в буровій коронці, що складається з корпусу і закріпленої Га») на ньому алмазоносної матриці, розділеної промивними пазами на сектори, армовані зносостійкими 3о циліндричними вставками із синтетичних алмазів, що мають різний діаметр, згідно винаходу вставки розміщені в со центральній частині кожного сектора на колі одного діаметра, а діаметри вставок зменшуються в коловому напрямку, при цьому площі основ вставок більшого і меншого діаметрів складають, відповідно, 1/35-1/130 частин площі поверхні кожного сектора; відстань крайки вставки, що набігає, від крайки сектора, що набігає, « визначається по формулі: ! я ші с ре а 70,3 "з 2 " де: І, - відстань від крайки вставки, що набігає, до крайки сектора, що набігає, мм; а, - діаметр основи першої вставки, мм; пі - порядковий номер установлюваної вставки, починаючи від першої; величина виступання кожної вставки (ее) відносно поверхні сектора матриці визначається по наступній залежності: о п-0,2.а;--01, де: П; - величина виступання вставки над поверхнею матриці, мм; (22) а, - радіус установлюваної вставки, мм. -л 20 Причинно-наслідковий зв'язок між пропонованою сукупністю ознак і технічним результатом, що досягаються при її реалізації, полягає у наступному. 4) У процесі буріння вставки, що виступають над поверхнею секторів алмазоносної матриці, під дією осьового навантаження створюють у розбурюваному масиві породи зону передруйнування, а алмази, що знаходяться на поверхні матриці, вже в трохи полегшених умовах працюють по передруйнівній породі і завершують процес руйнування. Частки зруйнованої породи потім за допомогою промивної рідини виносяться на поверхню о свердловини. Передруйнування породи повинне супроводжувати процес буріння протягом усього періоду роботи інструмента. Це можливо повною мірою тоді, коли вставки діаметра, що збільшується, у напрямку їмо) обертання бурової коронки, розміщені в центральній частині кожного сектора на одному колі. При роботі пропонованої бурової коронки утвориться східчаста форма зони передруйнування породи. Так, вставка більшого бо діаметра створює зону передруйнування в породі всередину й у ширину, а наступні за нею вставки менших діаметрів збільшують зону передруйнування поступально всередину масиву породи. Накладання таких процесів передруйнування один на одного дозволяє знизити енергоємність процесу передруйнування породи. Крім того, при роботі пропонованої бурової коронки через зменшення розміру вставок утвориться краплевидна форма потоку промивної рідини під торцем матриці, унаслідок чого знижується коефіцієнт тертя часток шламу при б5 контакті зі вставками. Таким чином, забезпечуючи створення східчастої зони передруйнування за рахунок пропонованого вибору діаметра вставок з одночасним більш ефективним охолодженням, алмазам, закріпленим на поверхні секторів матриць, залишається тільки завершити руйнування ослабленої від впливу вставок породи.The task is solved thanks to the fact that in the drill bit, which consists of a body and a diamond-bearing matrix fixed to it, divided by washing grooves into sectors, reinforced with wear-resistant 3o cylindrical inserts made of synthetic diamonds of different diameters, according to the invention, the inserts are placed in with the central part of each sector on a circle of the same diameter, and the diameters of the inserts decrease in the circular direction, while the areas of the bases of the inserts of larger and smaller diameters are, respectively, 1/35-1/130 parts of the surface area of each sector; the distance of the edge of the oncoming insert from the edge of the oncoming sector " is determined by the formula: ! Я ши с ре а 70.3 "з 2 " where: І, - the distance from the edge of the overhanging insert to the edge of the overhanging sector, mm; a, - diameter of the base of the first insert, mm; pi - serial number of the installed insert, starting from the first; the amount of protrusion of each insert (ee) relative to the surface of the matrix sector is determined by the following dependence: o n-0.2.a;--01, where: P; - amount of protrusion of the insert above the surface of the matrix, mm; (22) a, - the radius of the installed insert, mm. -l 20 The cause-and-effect relationship between the proposed set of features and the technical result achieved during its implementation is as follows. 4) During the drilling process, the inserts protruding above the surface of the sectors of the diamond-bearing matrix under the action of the axial load create a predestruction zone in the rock mass being drilled, and the diamonds located on the surface of the matrix work on the predestructive rock in slightly easier conditions and complete the destruction process. Particles of the destroyed rock are then carried to the surface by the wells with the help of washing liquid. The transformation of the rock should accompany the drilling process during the entire period of operation of the tool. This is fully possible when the inserts of increasing diameter in the direction of rotation of the drill bit are placed in the central part of each sector on one circle. During the operation of the proposed drill bit, a stepped shape of the zone of rock destruction will be formed. Thus, an insert of a larger diameter creates a zone of destruction in the rock inward and in width, and subsequent inserts of smaller diameters increase the zone of destruction progressively inside the massif of the rock. Superimposition of such transformation processes on each other allows to reduce the energy intensity of the rock transformation process. In addition, during the operation of the proposed drill bit, due to the reduction in the size of the inserts, a droplet-shaped form of the flow of the washing liquid will be formed under the end of the matrix, as a result of which the friction coefficient of the mud particles in contact with the inserts will decrease. Thus, ensuring the creation of a stepped zone of destruction due to the proposed selection of the diameter of the inserts with simultaneous more effective cooling, the diamonds fixed on the surface of the sectors of the matrices only have to complete the destruction of the rock weakened by the impact of the inserts.

Максимальна здатність бурової коронки, що руйнує, при мінімальних енергетичних витратах буде забезпечена при дотриманні додаткових умов відповідно до п.п.2-4 формули, оскільки вони спрямовані на оптимальний вибір співвідношення розмірів зони передруйнування і зони контакту алмазоносної матриці з породою. При цьому шлам під торцем матриці буде невеликих розмірів і в незначній кількості, що полегшує роботу алмазам матриці.The maximum capacity of the destructive drill bit with minimal energy consumption will be ensured by observing additional conditions in accordance with clauses 2-4 of the formula, as they are aimed at optimal selection of the ratio of the sizes of the predestruction zone and the contact zone of the diamond-bearing matrix with the rock. At the same time, the slime under the face of the matrix will be of small size and in an insignificant amount, which facilitates the work of the diamonds of the matrix.

Вони остаточно руйнують попередньо зруйновану породу без додаткових на це зусиль і збільшення потужності.They finally destroy the previously destroyed rock without additional effort and power increase.

На кресленнях проілюстрована пропонована бурова коронка: на Фіг. представлений вигляд збоку робочого торця, на Фіг.2 - перетин А-А на Фіг.1 (повернено) у збільшеному масштабі. 70 Бурова коронка містить корпус 1 з алмазоносною матрицею 2, розділеною промивними пазами на сектори, армовані циліндричними вставками 3, що мають різний діаметр, при цьому вставки З розміщені в центральній частині кожного сектора на колі одного діаметра, а діаметри а. вставок З зменшуються в коловому напрямку від частини сектора, що набігає, площі основ вставок З більшого і меншого діаметрів складають, відповідно 1/35-1130 частини площі поверхні кожного сектора; відстань крайки вставки З, що набігає, від крайки сектора, /5 що набігає, визначається за формулою: 2 ре зі, дз де: І, - відстань від крайки вставки 3, що набігає, до крайки сектора, що набігає, мм; а. - діаметр основи першої вставки З, мм; 20 п; - порядковий номер установлюваної вставки 3, починаючи від першої; величина виступання кожної вставкиThe proposed drill bit is illustrated in the drawings: in Fig. a side view of the working end is presented, in Fig. 2 - the section AA in Fig. 1 (turned) on an enlarged scale. 70 The drill bit contains a body 1 with a diamond-bearing matrix 2, divided by washing grooves into sectors reinforced with cylindrical inserts 3 having different diameters, while the inserts Z are placed in the central part of each sector on a circle of the same diameter, and the diameters a. inserts Z decrease in the circular direction from the part of the approaching sector, the areas of the bases of the inserts Z with larger and smaller diameters are, respectively, 1/35-1130 of the surface area of each sector; the distance of the edge of the oncoming insert Z from the oncoming edge of the sector, /5, which is oncoming, is determined by the formula: 2 re zi, dz where: I, - the distance from the oncoming edge of the insert 3, to the oncoming sector edge, mm; and. - diameter of the base of the first insert Z, mm; 20 p; - serial number of the installed insert 3, starting from the first; the amount of protrusion of each insert

З відносно поверхні сектора матриці 2 визначається за наступною залежністю: п-0,2.а;--01, де: !; - величина виступання вставки З над поверхнею матриці 2, мм; а, - радіус установлюваної вставки 3, мм. с 25 Пропонована бурова коронка працює в такий спосіб. Ге)With respect to the surface of the matrix sector 2 is determined by the following dependence: n-0,2.a;--01, where: !; - the size of the protrusion of the insert З above the surface of the matrix 2, mm; a, - the radius of the installed insert is 3 mm. p 25 The proposed drill bit works in the following way. Gee)

При бурінні осьове навантаження і крутний момент передаються на сектори алмазоносної матриці 2 коронки і через неї на вставки 3. Зносостійкі циліндричні вставки 3, що виступають над алмазоносною матрицею 2, беруть участь у предруйнуванні породи, створюючи мережу макро- і мікротріщин, а алмази 4 матриці 2 безпосередньо завершують процес руйнування породи. Предруйнування породи супроводжується малими витратами ї-о 30 потужності за рахунок утворення східчастої форми зони предруйнування протягом усього періоду роботи «- інструмента. Завдяки оптимальному вибору згаданих параметрів частки зруйнованої породи за допомогою промивної рідини виносяться на поверхню свердловини, тому виключається поява додаткового шламу, що може ї-о накопичуватися в зазорі між алмазами і матрицею 2, а значить, і можливість підпалин коронки. ав)During drilling, the axial load and torque are transmitted to the sectors of the diamond-bearing matrix 2 of the crown and through it to the inserts 3. The wear-resistant cylindrical inserts 3 protruding above the diamond-bearing matrix 2 participate in the predestruction of the rock, creating a network of macro- and microcracks, and the diamonds 4 of the matrix 2 directly complete the rock destruction process. Predestruction of the rock is accompanied by small consumption of about 30 power due to the formation of a stepped form of the predestruction zone during the entire period of operation of the tool. Thanks to the optimal choice of the mentioned parameters, particles of the destroyed rock are brought to the surface of the well with the help of washing fluid, therefore the appearance of additional sludge that can accumulate in the gap between the diamonds and the matrix 2 is excluded, which means the possibility of burning the crown. av)

При виборі співвідношення площ основ вставок З більшого і меншого діаметрів більш 1/35, ширина зони 35 предруйнування породи під коронкою буде перевищувати ширину зони контакту матриці 2 з породою, тобто 09 енергія, що йде на руйнування породи, буде витрачатися на непотрібне предруйнування стінок свердловини і керна. При виході за межі згаданого співвідношення більше, ніж 1/130 зона предруйнування породи не буде збільшуватися в ширину, буде локалізуватися безпосередньо під торцем матриці 2 коронки, збільшуючи її тільки « всередину, тому що будуть потрібні додаткові витрати потужності на руйнування породи по ширині вибою З7З свердловини. Вибір відстані від крайки вставки З, що набігає, до крайки сектора, що набігає, обумовленого с пропонованою формулою, продиктований вибором кожної наступної відстані між вставками З більшою, ніж "з попередня в напрямку обертання коронки, що обумовлено стабілізацією вимивання часток шламу і виключення їх скупчення під торцем матриці 2 без додаткових витрат потужності на їхнє передрібнювання з одночасним виключенням підпалин. Вибір величини виступу - вставок З обумовлений створенням оптимального зазору для 395 проходження шламу між поверхнею матриці 2 і поверхнею вибою свердловини. Якщо цей зазор недостатній, то бо частки шламу будуть ущільнюватися в ньому і зі зростаючим зусиллям впливати на матрицю 2, катастрофічно (ав) зношуючи її. При невиправданому збільшенні цього зазору частки шламу будуть вимиватися з нього без о необхідного впливу на матрицю 2, тому матриця 2 буде зношуватися недостатньо, що приведе до слабкого оголення алмазів, що знаходяться в ній, і недостатньої їхньої участі в остаточному руйнуванні породи. - 70 При виконанні пропонованого співвідношення забезпечується така оптимальна величина згаданого зазору,When choosing the ratio of the areas of the bases of the inserts of larger and smaller diameters of more than 1/35, the width of the zone 35 of pre-destruction of the rock under the crown will exceed the width of the contact zone of the matrix 2 with the rock, i.e. 09 the energy used for the destruction of the rock will be spent on unnecessary pre-destruction of the well walls and core When exceeding the mentioned ratio by more than 1/130, the zone of pre-destruction of the rock will not increase in width, it will be localized directly under the end of the matrix 2 of the crown, increasing it only "inward, because additional power consumption will be required to destroy the rock along the width of the hole З7З wells The selection of the distance from the edge of the oncoming insert Z to the edge of the oncoming sector determined by the proposed formula is dictated by the selection of each subsequent distance between the inserts Z larger than the previous one in the direction of rotation of the crown, which is due to the stabilization of the washing out of sludge particles and their exclusion accumulation under the end face of matrix 2 without additional expenditure of power for their re-grinding while simultaneously eliminating fires. The choice of the size of the protrusion - insert C is due to the creation of an optimal gap for the 395 passage of mud between the surface of the matrix 2 and the surface of the wellbore. If this gap is insufficient, then the mud particles will to be compacted in it and with increasing effort affect the matrix 2, catastrophically (av) wearing it out. If this gap is unreasonably increased, the sludge particles will be washed out of it without the necessary effect on the matrix 2, therefore the matrix 2 will not be worn enough, which will lead to a weak exposure diamonds in it and their insufficient participation in the final destruction of the rock. - 70 When performing the proposed ratio, such an optimal value of the mentioned gap is ensured,

Ф при якому знос матриці 2 на соті частки відсотка випереджає знос вставок 3.Ф at which the wear of the matrix 2 is ahead of the wear of the inserts 3 by a hundredth of a percent.

Claims

The formula of the invention GF) 1. A drill bit containing a body and a diamond-bearing matrix fixed on it, divided by washing grooves into sectors, reinforced with wear-resistant cylindrical inserts made of synthetic diamonds, having different diameters, which differs in that the inserts are placed in the central part of each sectors on a circle of the same diameter, and the diameters of the inserts decrease in the circular direction from the part of the approaching sector. because 2. The crown according to claim 1, which differs in that the areas of the bases of the inserts of larger and smaller diameters are, respectively, 1/35 - 1/130 parts of the surface area of each sector.

Q. The crown according to claim 1, which differs in that the distance from the edge of the advancing insert to the edge of the advancing sector is determined by the formula: ЗИ be aveib ko de і; - the distance from the edge of the overhanging insert to the edge of the overhanging sector, mm; 41 - diameter of the base of the first insert, mm; t; - serial number of the installed insert, starting from the first.

4. Crown according to claim 1, which differs in that the amount of protrusion of each insert relative to the surface of the matrix sector is determined according to the following dependence: c; - 002.4, 01, where I am; - the size of the protrusion of the insert above the surface of the matrix, mm; 4; - the radius of the installed insert, mm. 6) (Se) "- (Se) "c) s -

with . and? (ee) («c) (o) - 70 4) ime) 60 b5