МНОГОЯРУСНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА
MULTI-ROW CROWN BIT

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.
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.
Кроме того, 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.
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.
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.
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.
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.
Задача изобретения состоит в повышении эффективности работы буровой коронки 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.
Для решения этой задачи в буровой коронке, включающей несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, верхний неподвижный ярус резцов установлен на их державках, представляющих собой выступы на торце тела коронки, перемежающиеся с минимальным зазором с державками нескольких нижних подвижных ярусов резцов, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие плоский паз, образующий верхний и нижний уступ и прочно связанные с державками, вместе с упирающимися в них пакетами пружин сжатия, входят, также с минимальным зазором, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.
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.
В то же время державки резцов подвижных ярусов, вместе с предварительно поджатыми пакетами пружин, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом плоского паза 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.
Верхняя грань державки каждого подвижного яруса резцов в своем поперечном сечении выполнена в виде ступеньки, выступ которой с минимальным зазором входит во впадину соответствующей ступеньки, выполненной в поперечном сечении тела коронки.
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.
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 уступом плоского паза 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.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3 схематично изображены виды с торца двух вариантов трехъярусной и одного варианта четырехъярусной алмазной буровой коронки. Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны. Нумерация ярусов начинается с ближнего к забою. Последним номером обозначается верхний неподвижный ярус резцов.
Здесь показаны:
фиг.1 - трехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом из двух подвижных ярусов и шестью державками резцов на неподвижном ярусе;
фиг.2 - четырехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом из трех подвижных ярусов и девятью державками резцов на неподвижном ярусе;
фиг.3 - трехъярусная буровая коронка с двумя державками резцов на каждом из двух подвижных ярусов и четырьмя державками резцов неподвижного яруса.
На фиг.4 представлен вид по А-А (см. фиг.1) первого варианта трехъярусной буровой коронки, а на фиг.5 - ее развертка (вид по внешнему диаметру) с местным разрезом по среднему ее диаметру.
Трехъярусная буровая коронка (см. фиг.4 и 5) состоит из верхнего неподвижного яруса резцов 3, установленных на державках 4, представляющих собой выступы на торце тела коронки 5, перемежающиеся с минимальным зазором с двумя нижними подвижными ярусами резцов 1 и 2, установленных соответственно на державках 6 и 7, причем цилиндрические хвостовики 8 державок, имеющие плоский паз, образующий верхний 9 и нижний 10 уступ, и прочно связанные с державками, вместе с упирающимися в них пакетами пружин сжатия 11, входят, также с минимальным зазором, в глухие отверстия 12, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.
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.
В то же время державки резцов подвижных ярусов, вместе с предварительно поджатыми пакетами пружин 11, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом 9 плоского паза хвостовиков державок в верхнюю грань 13 сваренного из двух половин опорного кольца 14, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз 15, выполненный на наружной поверхности тела коронки.
Верхняя грань державки каждого такого яруса в своем поперечном сечении выполнена в виде ступеньки, выступ 16 которой с минимальным зазором входит во впадину 17 соответствующей ступеньки, выполненной в поперечном сечении тела коронки (см. фиг.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 уступом 10 плоского паза в нижнюю грань 18 упомянутого опорного кольца 14, 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.
Заявляемая конструкция многоярусной буровой коронки позволяет решить поставленную задачу.
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 уступом плоского паза 10 в нижнюю грань 18 опорного кольца 13 (фиг.4 и 5), 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.
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.
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.
Пример реализации предлагаемой многоярусной буровой коронки.
В качестве примера принимаем трехъярусную алмазную буровую коронку диаметром 75,31 мм с толщиной стенки корпуса 12,8 мм, т.е. соответствующую по габаритным параметрам коронке размера WLN по ISO 10097-1: 1999(Е). В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы трехъярусной алмазной коронки, представленной на фиг.1, 4 и 5.
Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах VII-XII категорий буримости, в том числе резцами ярусов: первого подвижного - VII-IX, второго подвижного - IХ-ХI, третьего неподвижного - ХI-ХII категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.
2
2
2
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. - 2007, 904 с.; ил.) в зависимости от категории пород по буримости соответственно для резцов 3-х ярусов (кН/см): VII-IX - 0,6-0,9; IХ-ХI - 0,9-1,2 и ХI-ХII - 1,2-1,5. Всего в работе 12 резцов, в том числе по 3 резца в двух подвижных ярусах и 6 резцов в неподвижном. Соответственно площади рабочей поверхности резцов с учетом промывочных окон и шламовых пазов составляют по 4,5 см в каждом подвижном ярусе и 9 см - в неподвижном. Согласно этим параметрам осевые нагрузки на резцы каждого яруса составят (кН): 1-ый ярус - 2,7-4,05 (на один резец 0,9-1,35); 2-ой ярус - 4,05-5,40 (на один резец 1,35-1,80) и 3-ий ярус - 10,8-13,5 (на один резец 1,8-2,25).
1
2
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 h=9 мм, второго - h=6 мм (см. фиг.5).
По мере роста осевой нагрузки резцы первого яруса, выбирая первые 2 мм своего хода, разрушают породы VII-VIII категорий. Далее, в пределах хода пружин резцов первого яруса в 1 мм, последние, совместно с вступившими в работу резцами 2-го яруса, разрушают породу IX категории. Затем, с дальнейшим увеличением осевой нагрузки, резцы 2-го яруса, в пределах хода своих пружин в 3 мм, разрушают сначала породу Х и, затем совместно с резцами 3-го неподвижного яруса - породу XI категории.
После хода в 6 мм, цилиндрические хвостовики державок резцов 1-го яруса, вступившие в режим самозатачивания, под действием возросшей осевой силы, упираясь своим нижним уступом 9 плоского паза в нижнюю грань 18 опорного кольца 14, отрывают резцы 2-го яруса от забоя и утапливают их в тело коронки, открывая возможность продолжения работы резцам 3-го неподвижного яруса для разрушения пород ХI-ХII категорий буримости при нагрузке на резец 1,8-2,25 кН или при общей нагрузке на коронку 10,8-13,5 кН.
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.
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, Х-ХII категорий буримости.
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.
3
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 F=400 Н. Номинальный диаметр отверстий и цилиндрических хвостовиков державок 8,3 мм.
3
Рассчитываем число пружин для первого яруса резцов. Оно представлено двумя группами пружин: параллельной и последовательной сборки. При рабочей деформации 0,8 F=341 Н и в соответствии с максимальной осевой нагрузкой на резец первого яруса (1350 Н) необходимое число пружин параллельной сборки составит
1
n=1350:341=3,95,
1
принимаем n=4 шт.
Максимальная деформация группы пружин параллельной сборки составит
пap.c
3
S=s=0,17 мм,
1
где: s - максимальная деформация пружины №020.
1
Поскольку общий ход пакета пружин резца первого яруса принят равным h=9 мм (см. фиг.5),
максимальная деформация группы пружин последовательной сборки составит
пос.с
S=9-0,17=8,83 мм.
Число группы пружин последовательной сборки в пакете равно
n=8,83:0,17=51,94,
принимаем n=52 шт.
Высота группы пружин параллельной сборки в пакете в свободном состоянии
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>о</mi></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
o
I - высота пружины, мм;
t -толщина пружины, мм.
пар.с
L=0,67+(4-1)0,5=2,17 мм.
Высота группы пружин последовательной сборки в свободном состоянии
пос.с
о
L=I×n=0,67×52=34,84 мм.
Общая высота пакета пружин в свободном состоянии
2,17+34,84=37,00 мм.
3
Общая высота пакета пружин резца первого яруса с предварительной деформацией 0,2 F (с поджатием при установке) составит
37-37×0,2=29,60 мм.
1
1
пар.с
2
пос.с
Аналогично для резца второго яруса получаем: необходимое число группы пружин параллельной сборки n=1800:341=5,2; принимаем n=5 шт.; S=0,17 мм; поскольку максимальная деформации пакета пружин принята равной h=6 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен S=6-0,17=5,83 мм; тогда n=5,83:0,17=34,29, принимаем n=34 шт.;
пар.с
пос.с
3
L=0,67+(5-1) 0,5=2,67 мм; L=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 F составит 25,45-25,45×0,2=20,36 мм.
2
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/мм.
Максимальные напряжения возникают в отверстиях второго яруса резцов, в котором максимальная осевая сила на забой составляет 5,4 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.):
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>0,81</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>8</mn></mrow></msup><mi>P</mi><mo>×</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>в</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>D</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mi>в</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Р - осевая нагрузка на коронку, Н;
вр
n - частота вращения коронки, об/мин;
н
D - наружный диаметр коронки, мм;
в
D - внутренний диаметр коронки, мм.
вр
н
в
Поскольку Р=5400 Н; n=1500 об/мин; D=75,31 мм; D=47,62 мм, имеем
-8
N=0,81×10×5400×1500(75,31+47,62)=8,1 кВт.
Из 12 резцов в работе участвуют только 3, т.е. 25% от общей площади торца обычной коронки, и, следовательно, затраты мощности соответственно составят
8,1×0,25=2,0 кВт.
Тогда крутящий момент на коронке
кр
М=9552×2,0:1500=12,7 Нм.
Учитывая, что радиус буровой коронки равен
R=75,31:2:1000=0,0376 м,
и что одновременно работают 3 резца, находим расчетную окружную силу на один резец
рез.р
кр
q=М:R:3=12,7:0,0376:3=112,5 Н.
от
Площадь S внутренней поверхности отверстия диаметром d=8,3 мм, воспринимающая боковую нагрузку смятия, будет равна:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3,14</mn><mo>×</mo><mi>d</mi><mo>×</mo><mi>h</mi><mo>:</mo><mn>2</mn><mtext>                                                                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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. Тогда:
от
2
S=3,14×8,3×0,2:2=2,60 мм,
и напряжение смятия будет равно
2
112,5:2,60=43,3 Н/мм.
2
2
При нагрузке смятия допускаемое напряжение для стали 35 составит 294×2,25=662 Н/мм, где 294 - предел текучести стали 35, Н/мм, а запас прочности тела корпуса коронки на смятие будет равен
662:43,3=15,3,
что достаточно.
Проверяем на смятие материал опорного кольца и уступа плоского паза 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.
1,35+1,8=3,15 кН=3150 H.
Опорная площадь уступа плоского паза цилиндрического хвостовика на контакте с гранью опорного кольца составляет (см. фиг.4) 40% от общей площади поперечного сечения хвостовика:
оп
2
2
S=0,785×8,3×0,4=21,6 мм.
Напряжение смятия уступа плоского паза цилиндрического хвостовика и сопрягаемой поверхности опорного кольца составит
2
3150:21,6=146 Н/мм,
а запас прочности на смятие, с учетом допускаемого напряжения для стали 35, будет равен
662:146=4,5,
что достаточно.
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 существенно повысить ее ресурс, увеличить механическую скорость, снизить энергоемкость процесса бурения и значительно сократить затраты времени на спуско-подъемные операции для ее замены.