буровое долото и режущая вставка для него

Формула изобретения

1. Режущая вставка для цементированного карбида, предназначенная преимущественно для ударного бурения, имеющая главным образом цилиндрический установочный участок и внешний участок, включающий в себя относительно плоскую поверхность, идущую от указанного установочного участка в направлении к переднему концу вставки, при этом указанный установочный участок имеет центральную ось А и радиус D/2, отличающаяся тем, что внешний участок имеет выпуклую базовую форму, радиально наружу из которой выступает основная часть внешнего участка, причем относительно плоская поверхность плавно соединена с другими частями указанного внешнего участка, при этом радиус относительно плоской поверхности больше, чем радиус D/2 установочного участка, и относительно плоская поверхность внешнего участка соединена по окружности по меньшей мере с одной пикообразной режущей кромкой.

2. Режущая вставка по п.1, отличающаяся тем, что внешний участок имеет баллистическую базовую форму.

3. Режущая вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что стык установочного участка и внешнего участка образует базовую линию Y; Y", которая является выпуклой в виде сбоку у относительно плоской поверхности, в результате чего ограничивается самая задняя по оси точка, причем эта точка расположена по оси впереди базовой линии у вогнутой базовой формы и позади в осевом направлении относительно самой передней части базовой линии.

4. Режущая вставка по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что по меньшей мере внешний участок имеет поликристаллическое алмазное покрытие.

5. Буровое долото ударного типа, которое включает в себя вал, бурильную головку, расположенную на переднем конце указанного вала и имеющую продольную ось, причем бурильная головка имеет направленный вперед лицевой конец с лицевой поверхностью, поверхность оболочки, которая идет главным образом в продольном направлении и ограничивает внешнюю периферию указанной бурильной головки, а также множество отверстий, образованных в указанном лицевой конце, причем каждое из указанных отверстий имеет главным образом цилиндрическую основную форму и в него введена режущая вставка из цементированного карбида, при этом каждая режущая вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок с центральной осью А и радиусом D/2 и внешний участок, выступающий из указанного отверстия, отличающееся тем, что внешний участок имеет выпуклую базовую форму, радиально наружу из которой выступает основная часть внешнего участка, причем относительно плоская поверхность внешнего участка плавно соединена с другими частями указанного внешнего участка, при этом радиус относительно плоской поверхности внешнего участка больше, чем радиус D/2 установочного участка, и относительно плоская поверхность внешнего участка соединена по окружности по меньшей мере с одной пикообразной режущей кромкой.

6. Буровое долото по п.5, отличающееся тем, что внешний участок режущей вставки имеет баллистическую базовую форму.

7. Буровое долото по п.5 или 6, отличающееся тем, что по меньшей мере внешний участок режущей вставки имеет поликристаллическое алмазное покрытие.

Приоритет по пунктам:

12.10.94 - по пп.1 - 4;

07.03.95 - по пп.5 - 7.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию режущих вставок из цементированного карбида и буровых долот, используемых преимущественно для ударного бурения породы.

В патенте США US-A-4,598,779 раскрыто буровое долото, которое снабжено множеством режущих вставок в виде долот. Каждая вставка имеет направляющую поверхность, которая имеет относительно острое соединение с режущими кромками. При использовании цементированного карбида относительно острое соединение является нежелательным, так как при тяжелом бурении может происходить отслаивание, вызванное появлением напряжений в области соединений, при этом не удается осуществить бурение прямых скважин при длительном прогоне. Кроме того, форма известных вставок не оптимизирована относительно максимального объема износа.

В патенте США US-A-4,607,712 раскрыто буровое долото, которое содержит множество режущих вставок. Рабочая часть каждой вставки имеет полусферическую базовую форму, к которой добавлен дополнительный объем цементированного карбида. Однако известные вставки не обеспечивают достаточного упора в стенку буровой скважины, поэтому не удается осуществить бурение прямолинейных скважин. Более того, области соединений между компонентами рабочей части являются относительно острыми, в результате чего возникают упомянутые выше напряжения, вредные для цементированного карбида. Кроме того, сферическая базовая форма содержит относительно малый объем карбида.

Задачей настоящего изобретения является избежание или снижение влияния недостатков, имеющихся в известных устройствах. Одной из задач настоящего изобретения является увеличение износостойкости корпусов (инструментов) из цементированного карбида, которые преимущественно предназначены для использования в инструментах для бурения породы (в перфораторах) и для бурения минералов. Износостойкость корпусов из цементированного карбида может быть увеличена путем увеличения объема корпуса в области, подверженной износу. Для того, чтобы достичь явного увеличения износостойкости, в основном должен быть увеличен объем подверженной износу зоны. Явное увеличение износостойкости может быть получено при увеличении объема внешней зоны, которая подвержена износу, когда инструмент проработал по меньшей мере 50%, а вероятнее всего 100% или более его срока службы, вставки для ударных буровых долот имеют наибольший износ в зоне, которая входит в контакт со стенкой буровой скважины, а также на вершине вставки, где должна разламываться порода. Увеличение износостойкости вставки может быть получено при увеличении объема внешней зоны, которая входит в контакт со стенкой, а также объема на вершине вставки. Известные ранее инструменты обычно содержали вставки с аксиально- симметричной формой вершины (левая часть фиг. 12). Увеличение объема внешней зоны, которая подвержена износу, часто приводит к появлению не аксиально-симметричной формы вершины. По природе износа, которая зависит от свойств породы и условий бурения, износ более всего проявляется в зоне, которая входит в контакт со стенкой, или в области вершины вставки, где должна разламываться порода. Важно принимать во внимание этот факт и увеличивать объем внешней зоны более всего там, где вставки изнашиваются сильнее всего.

Как увеличение срока службы, так и высокая скорость проходки могут быть достигнуты при использовании оптимальной геометрической структуры, разрушение которой происходит не так быстро. Важным преимуществом настоящего изобретения является высокая точность при использовании материала для бурового долота. Увеличенный объем износостойкого материала и, следовательно, высокая износостойкость внешней зоны в области, подверженной износу, позволяет проходить прямолинейные скважины и иметь лучшие допуски по диаметру буровой скважины. Кроме того, могут быть увеличены интервалы между повторными перешлифовками; это снижает опасность для бурильщика и облегчает его труд.

Еще одной задачей настоящего изобретения в соответствии с дополнительным пунктом формулы изобретения, для случая, когда предусмотрено покрытие из поликристаллического алмаза по меньшей мере на рабочем участке вставки, является увеличение срока службы вставки, несмотря на то, что покрытие может растрескаться или отслоиться.

Задачи настоящего изобретения решены во вставке и в буровом долоте, которые выполнены следующим образом.

Режущая вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок и внешний участок, включающий в себя относительно плоскую поверхность, идущую от указанного установочного участка в направлении к переднему концу вставки, при этом указанный установочный участок имеет центральную ось (A) и радиус (D/2). Внешний участок имеет выпуклую базовую форму, преимущественно баллистическую, радиально наружу из которой выступает основная часть внешнего участка, причем относительно плоская поверхность плавно соединена с другими частями указанного внешнего участка, при этом радиус относительно плоской поверхности больше, чем радиус (D/2) установочного участка, и относительно плоская поверхность внешнего участка соединена по окружности по меньшей мере с одной пикообразной режущей кромкой.

Стык установочного участка и внешнего участка режущей вставки образует базовую линию (Y; Y"), которая является выпуклой в виде сбоку у относительно плоской поверхности, в результате чего ограничивается самая задняя по оси точка, причем эта точка расположена по оси впереди базовой линии у вогнутой базовой формы, и позади в осевом направлении относительно самой передней части базовой линии.

По меньшей мере внешний участок вставки имеет поликристаллическое алмазное покрытие.

Особенностями бурового долота согласно изобретению является использование описанных выше режущих вставок.

Буровое долото ударного типа включает в себя вал, бурильную головку, расположенную на переднем конце указанного вала и имеющую первую продольную ось, причем бурильная головка имеет направленный вперед лицевой конец с лицевой поверхностью, поверхность оболочки, которая идет главным образом в продольном направлении и ограничивает внешнюю периферию указанной бурильной головки, а также множество отверстий, образованных в указанном лицевом конце, причем каждое из указанных отверстий имеет главным образом цилиндрическую основную форму и в него введена режущая вставка из цементированного карбида, при этом каждая режущая вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок с центральной осью (A) и радиусом (D/2) и внешний участок, выступающий из указанного отверстия.

Внешний участок имеет выпуклую базовую форму, радиально наружу из которой выступает основная часть внешнего участка, причем относительно плоская поверхность плавно соединена с другими частями указанного внешнего участка, при этом радиус относительно плоской поверхности внешнего участка больше, чем радиус (D/2) установочного участка, и относительно плоская поверхность внешнего участка соединена по окружности по меньшей мере с одной пикообразной режущей кромкой. Внешний участок имеет баллистическую базовую форму, а по меньшей мере внешний участок режущей вставки имеет поликристаллическое алмазное покрытие.

На фиг. 1 - 5 показана вставка, подходящая для осуществления бурения в условиях, когда износ вставки сконцентрирован в зоне, близкой к стенке скважины. На фиг. 1 показана вставка в соответствии с настоящим изобретением на виде сбоку. На фиг. 2 показан другой вид сбоку вставки. На фиг. 3 вставка показана на виде сверху. На фиг. 4 показана вставка в виде по стрелке B фиг. 2. На фиг. 5 показано с увеличением поперечное сечение вставки по линии C.

На фиг. 6-10 показана вставка, которая подходит для бурения в таких условиях, когда износ вставки распределен в зоне, близкой к стенке буровой скважины, и в зоне вершины вставки. На фиг. 6 показана вставка в соответствии с настоящим изобретением на виде сбоку. На фиг. 7 показан другой вид сбоку вставки. На фиг. 8 показана вставка на виде сверху. На фиг. 9 показана вставка по стрелке B фиг. 7. На фиг. 10 показано с увеличением поперечное сечение вставки по линии C".

На фиг. 11 показан вид в перспективе бурильной головки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 12 показан схематично вид сбоку с частичным вырывом бурильной головки с пластиной, а также вставки в соответствии с настоящим изобретением, при их расположении в буровой скважине.

На фиг. 13-18 показаны поперечные сечения через центральные оси двух режущих пластин.

На фиг. 1 приведен с увеличением вид сбоку преимущественного варианта осуществления вставки в соответствии с настоящим изобретением, вставка имеет главным образом цилиндрический участок хвостовика 20 с диаметром D в диапазоне от 4 до 20 мм, а преимущественно от 7 до 18 мм. Установочный конец 21 вставки 14 преимущественно имеет форму усеченного конуса, приспособленного для его ввода в отверстие на лицевой поверхности бурильной головки, см. фиг. 11. Преимущественно отверстие выступает как на лицевой поверхности, так и на поверхности оболочки. На чертежах показана продольная центральная ось A вставки и две идущие под прямым углом нормали N1 и N2. Линия Y ограничивает основание (базу) внешнего (рабочего) участка 22. Эта линия может быть явно выраженной или плавной.

Рабочий участок 22 вставки 14 подразделен на семь плавно соединенных друг с другом выпуклых по окружности и по оси участков. Используемый здесь термин "плавно" означает, что две касательные, каждая из которых перпендикулярна к центральной оси A на виде сбоку, расположенные на отдельных сторонах в непосредственной близости от соединения, образуют угол J, который лежит в интервале от 135^o до 180^o, а преимущественно от 160^o до 175^o (фиг. 5). Первый участок 23 имеет главным образом баллистическую форму и расположен главным образом симметрично по обеим сторонам нормали N1. Первый участок заканчивается по окружности соответственно у симметрично расположенных линий 24 и 25 зон радиуса. Радиус первого участка в определенном поперечном сечении C обозначен позицией R1. Математическое образование (конструкция) баллистической формы является следующим:

Опорная плоскость X первого участка 23 лежит ниже базовой линии Y на фиг. 2. Выпуклая кривизна (выпуклость) первого участка 23 идет от радиусов R с центром Z в окрестности огибающей поверхности участка хвостовика 20. Центр Z преимущественно размещен вне огибающей поверхности на расстоянии l от нее и ниже самой передней по оси точки на расстоянии h. Расстояние h в 4-8 раз превышает расстояние l, но меньше, чем длина радиуса R. Опорная плоскость X и радиусы R образуют угол , который составляет от 10^o до 75^o.

Каждая из линий 24 и 25 зоны радиуса соответственно и нормаль N1, в виде сверху, образуют угол в диапазоне от 45^o до 85^o. Следует иметь в виду, что баллистическая выпуклая кривизна, которая является самой внешней по радиусу, сопряжена с огибающей поверхностью участка хвостовика 20.

Каждая из линий 24 и 25 зоны радиуса образует гладкий переход между первым участком 23 и вторым участком 26 или 27. Второй участок 26 или 27 кроме зоны непосредственного стыка (пересечения) с первым участком расположен главным образом вне баллистической базовой формы (показанной штриховой линией на фиг. 1, 2 и 4). Радиус R2 второго участка в поперечном сечении C больше радиуса R1 первого участка. Второй участок главным образом сужается в переднем направлении к оси A. Вторые участки 26, 27 сужаются в направлении первого участка 23 и образуют острый угол .

Кроме того, вторые участки 26, 27 соединены с третьим участком 28 или 29. Третьи участки выступают радиально от оси A в лицевой участок вставки. Третьи участки имеют пикообразные мощные кромки, которые разламывают руду главным образом в направлении по окружности. Касательная к третьему участку в точке пересечения поперечного сечения C имеет больший внутренний угол 1 по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика, чем соответствующие касательные первого и второго участков. Увеличенное значение угла 1 вызывает увеличение износостойкости материала по сравнению с полной баллистической конфигурацией, в результате чего износостойкость вставки увеличивается. Третий участок ограничен радиусом R3, который меньше, чем радиус R1 первого участка и радиус R2 второго участка в поперечном сечении C (см. фиг. 5). Ширина третьего участка является главным образом постоянной.

Третий участок гладко соединен с четвертым участком 30, который приспособлен главным образом для совпадения (совмещения) со стенкой пробуренной скважины и лежит заподлицо с ней. Четвертый участок ограничивает направляющую поверхность, которая предусмотрена для осуществления скольжения по стенке скважины. Четвертый участок в поперечном сечении C имеет радиус R4, который намного больше, чем каждый из упомянутых выше радиусов R1 и R3. Центральная касательная к участку 30 в поперечном сечении C-C образует внутренний угол по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика 20. Угол меньше, чем соответствующие углы других участков 23 - 27.

Первая часть базовой линии Y, которая соединена с первым участком 23, идет главным образом перпендикулярно к центральной оси A. Вторая часть базовой линии Y, которая соединена со вторым участком 24 или 25, поднимается, по меньшей мере частично, вперед под острым углом относительно первой части. Третья часть базовой линии Y, которая соединена с третьим участком 28 или 29, образует самую переднюю по оси точку всей базовой линии и главным образом ограничена радиусом R6. Третья часть является выпуклой. Четвертая часть базовой линии Y, которая соединена с четвертым участком 30, главным образом ограничена радиусом R5, который больше, чем радиус R6. Четвертая часть является вогнутой, и ее самая задняя точка лежит по оси впереди от первой части.

Пятая часть 31 представляет собой закругленную вершину, в которой сходятся участки 23, 24, 25, 26 и 27. Четвертый участок 30 заканчивается в осевом направлении позади вершины 31. Самая передняя в осевом направлении часть третьего участка 28 или 29 главным образом не является частью вершины, хотя она и соединена с ней.

Следует иметь в виду, что у базовой линии Y указанные выше радиусы R1, R2, R3 и R4 на виде сверху равны друг другу, например, равны D/2.

При некоторых условиях бурения буровые вставки могут иметь больший износ на одной стороне, чем на другой стороне, поэтому была разработана вставка, которая предназначена для использования в таких условиях, а именно вставка с объемом материала, расположенным симметрично по отношению к нормали N1. При этом объем расположен на наветренной стороне и имеется увеличенная задняя поверхность на подветренной стороне нормали N1. На фиг. 6 показан с увеличением вид сбоку преимущественного варианта осуществления вставки в соответствии с настоящим изобретением, вставка имеет главным образом цилиндрический участок хвостовика 20" с диаметром D в диапазоне от 4 до 20 мм, а преимущественно от 7 до 18 мм. Установочный конец 21" вставки 14" преимущественно имеет форму усеченного конуса, приспособленного для его ввода в отверстие (не показано) на лицевой поверхности бурильной головки. Преимущественно отверстие выступает как на лицевой поверхности, так и на поверхности оболочки. На чертежах показана продольная центральная ось A вставки и две идущие под прямым углом нормали N1 и N2. Линия Y" ограничивает основание рабочего участка 22".

Рабочий участок 22" вставки 14" подразделен на несколько гладко соединенных друг с другом выпуклых по окружности и по оси участков. Первый участок 23" имеет главным образом баллистическую форму и расположен главным образом симметрично по обеим сторонам нормали N1. Первый участок заканчивается по окружности соответственно у симметрично расположенных линий 24" и 25" зон радиуса. Радиус первого участка в определенном поперечном сечении C" обозначен как R1. Математическое образование (конструкция) баллистической формы рассмотрено выше.

Каждая из линий 24" и 25" зоны радиуса образует гладкий переход между первым участком 23" и вторыми участками 26" и 27". Второй участок 26" состоит из трех гладко соединенных частей. Первая часть 26"A второго участка 26" и второй участок 27" кроме непосредственного стыка (пересечения) с первым участком расположены вне баллистической базовой формы (показанной штриховой линией на фиг. 6, 7 и 10), главным образом перпендикулярно друг другу в поперечном сечении C". Радиус первой части 26"A и второго участка 27" в поперечном сечении C" больше радиуса R"1 первого участка и имеет такое же значение, что и упомянутый выше радиус R2. Первая часть 26"A и второй участок 27" главным образом сужаются в осевом направлении вперед к центральной оси A и образуют острый угол , главным образом перпендикулярно в поперечном сечении C".

Вторая часть 26"B второго участка 26" расположена по радиусу вне баллистической базовой формы. Радиус R"2B второй части в поперечном сечении C больше радиуса R"1 первого участка и меньше радиуса R2. Вторая часть главным образом сужается в направлении вперед к центральной оси A.

Третья часть 26"C второго участка 26" также расположена по радиусу вне баллистической базовой формы на наветренной стороне W нормали N1 вставки. Радиус R"2C третьей части в поперечном сечении C" больше радиуса R"1 первого участка. Третья часть главным образом сужается в переднем направлении центральной оси A. Наветренная сторона W является частью вставки, которая подвержена наибольшему износу при разламывании материала породы.

Третья часть 26"C и второй участок 27" дополнительно соединены соответственно с третьими участками 28" и 29". Третьи участки выступают радиально от оси A в лицевой участок вставки 14". Третий участок 29" намного шире, по меньшей мере в 2 раза, чем участок 28". Касательная к третьему участку 28" в точке пересечения поперечного сечения C" имеет больший внутренний угол 1 по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика, чем соответствующие касательные первого 23" и третьего 29" участков. Угол 1 вызывает увеличение износостойкости материала по сравнению с полной баллистической конфигурацией, в результате чего износостойкость вставки увеличивается. Третий участок 29" образован на подветренной стороне L нормали N1 и ограничен радиусом R"3, который меньше, чем радиус R"1 первого участка и радиус R"2 второго участка в поперечном сечении C" (см. фиг. 10). Ширина третьего участка 28" является главным образом постоянной, в то время как участок 29" значительно сужается в переднем направлении по оси. Третий участок 29" ограничивает мощную пикообразную режущую кромку.

Третьи участки 28" и 29" гладко соединяются с четвертым участком 30", который приспособлен главным образом для совпадения (совмещения) со стенкой пробуренной скважины и лежит заподлицо с ней. Четвертый участок ограничивает направляющую поверхность, которая предусмотрена для осуществления скольжения по стенке скважины. Четвертый участок в поперечном сечении C имеет радиус R"4, который намного больше, чем каждый из упомянутых выше радиусов R"1 и R"3. Центральная касательная к участку 30" в поперечном сечении C" образует внутренний угол по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика 20. Угол меньше, чем соответствующие углы других участков 23" - 27".

Первая часть базовой линии Y", которая соединена с первым участком 23", идет главным образом перпендикулярно к центральной оси A. Вторая часть базовой линии Y", которая соединена с участками 26"A и 27", поднимается, по меньшей мере частично, вперед под острым углом относительно первой части. Третьи части базовой линии Y", которые соединены с третьей частью 26"C и с третьим участком 29", образуют самую переднюю по оси точку всей базовой линии. Одна из третьих частей базовой линии в соединении с третьим участком 29" является выпуклой в виде сбоку, в то время как другая третья часть, соединенная с третьей частью 29", является главным образом прямолинейной. Четвертая часть базовой линии Y", которая соединена с четвертым участком 30", главным образом ограничена радиусом R"5 (в виде сбоку), который больше, чем радиус R"1. Четвертая часть является вогнутой, и ее самая задняя точка лежит по оси впереди от первой части.

Пятый участок 31" представляет собой закругленную вершину, в которой сходятся участки 23", 26"A, 26"B, 26"C и 27". Четвертый участок 30" заканчивается по оси позади вершины 31". Самая передняя в осевом направлении часть третьего участка 28 или 29 главным образом не является частью вершины, хотя она и соединена с ней.

Следует иметь в виду, что у базовой линии Y" указанные выше радиусы R"1, R"2B, R"2C, R"3 и R"4 в виде сверху равны друг другу, например, равны D/2.

В варианте, показанном в перспективном изображении на фиг. 11, можно видеть улучшенное буровое долото ударного типа, которое в общем виде обозначено позицией 10 и включает в себя бурильную головку 11, ось 12, лицевой конец с лицевой поверхностью 13, снабженной множеством закрепленных карбидных вставок 14 или 14". Поверхность оболочки 16 бурового долота 10 имеет цилиндрическую форму или форму усеченного конуса и ограничивает на фиг. 11 бурильную головку. Поверхность оболочки начинается у самого большого диаметра стальной части корпуса бурового долота. Вставки 14, 14" введены в отверстия в корпусе бурового долота таким образом, что их самые внешние по радиусу поверхности 30, 30" главным образом совпадают с поверхностью оболочки бурового долота. Следует иметь в виду, что термин "главным образом" в этом контексте предусматривает радиальное смещение в пределах от -2 до +2 мм относительно поверхности оболочки 16 бурового долота, а преимущественно от +0,2 до +0,5 мм, вставки 14, 14" установлены таким образом, что стальной корпус не подвергается интенсивному износу и поэтому диаметр скважины 15 остается главным образом постоянным в ходе всей операции бурения. Лицевая поверхность 13 может содержать ряд размещенных ближе к центру пластин (не показаны) соответствующей формы, например полукруглой формы, причем указанные вставки разламывают материал руды ближе к центральной линии CL бурового долота. На фиг. 12 приведено сравнение известного ранее решения (в левой части чертежа) и вставки в соответствии с настоящим изобретением (в правой части чертежа), частично в разрезе, вставка с баллистической рабочей частью имеет объем на 50% больше, чем соответствующая полусферическая рабочая часть. Объем вставки 14, 14" по меньшей мере на 50% больше, чем объем вставки баллистической формы, и имеет сопоставимый с ней срок службы. На фиг. 12 показано пунктиром воображаемое расширение поверхности оболочки 16, чтобы показать различие объемов двух пластин.

Общим для двух описанных выше пластин является то, что по меньшей мере внешний участок 22, 22" может иметь поликристаллическое алмазное покрытие. Покрытие, которое предусмотрено по меньшей мере на рабочем участке вставки, увеличивает срок службы вставки, несмотря на то, что PCD покрытие может потрескаться или отслоиться.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что он не носит ограничительного характера и в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Например, в том случае, когда производится бурение очень твердой породы (например, растрескавшейся и чешуйчатой породы магнетит + кварцит), может потребоваться уменьшение высоты между вершиной и базовой линией Y, Y", в результате чего увеличивается средняя толщина рабочей части 22, 22" и поэтому увеличивается износостойкость. При такой модификации баллистические поверхности 23, 23" приобретают главным образом сферическую форму.