Буровая коронка для бурения в условиях криолитозоны (с продувкой воздухом)

Полезная модель относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам, предназначенным, преимущественно, для бурения скважин с продувкой воздухом в условиях криолитозоны.
Известны основные проблемы колонкового бурения в мерзлых породах, обусловленные, как правило, быстрым износом бурового инструмента и условиями ведения буровых работ в криолитозоне (см. Кудряшов Б.Б., Яковлев А.М. Бурение скважин в осложненных условиях: Учеб. пособие для вузов. – М.: Недра, 1987. – С.124–147).
Из практики буровых работ, проводимых в условиях криолитозоны (на примере Республике Саха (Якутия)), известно, что при бурении с продувкой воздухом плановых поисковых скважин в качестве породоразрушающего инструмента, в основном, применяются серийные твердосплавные коронки типа СМ-5 диаметром 112 мм с наваренными расширителями до внешнего диаметра 132 мм (по данным предприятий ПАО «АК «АЛРОСА»). При этом расход твердосплавных инструментов на фактический объем 400 п.м. по породам средней твердости IV и VII категории буримости составляет не менее 450 шт. при среднем ресурсе породоразрушающего инструмента 0,8 п.м., что не соответствует утвержденным стандартным нормам для твердосплавных буровых коронок, составляющим 4 п.м.
По характеру износа серийных коронок типа СМ, СА преобладает интенсивное затупление режущих граней твердосплавных резцов. Основными причинами преждевременного износа резцов и малого ресурса коронок является низкая температуро- и износостойкость твердосплавных резцов, и их недостаточное охлаждение при бурении с продувкой воздухом.
Кроме того, при бурении скважин глубиной более 10 метров влага, выделяющаяся за счет охлаждения воздуха при прохождении по колонне бурильных труб и скважины, не достигая забоя, замерзает в бурильных трубах, что может, в целом, привести к осложнению буровых работ. При бурении неглубоких скважин влага, стекая к забою, смачивает керн, шлам и стенки скважины, что также приводит к их оттаиванию, обвалу, разрушению. С другой стороны, трение твердосплавных коронок со стандартными промывочными окнами о мерзлую горную породу приводит к образованию сальников на колонковой трубе.
Во избежание подобных осложнений в производственных условиях выполняют различные мероприятия, в т.ч. используют переделанные инструменты - коронки с расширениями, изготавливаемые, чаще всего, кустарным образом на местах, например, путем срезания сектора с резцами от стандартной коронки и последующего его накладывания сваркой на внешнюю сторону короночного кольца, при работе которых формируются увеличенные зазоры между буровым снарядом и стенкой скважины.
Подобные коронки не отличаются высокой надежностью, т.к. накладываемые расширители в виде срезанного сектора с резцами легко выпадают и изнашиваются, что не может способствовать эффективности буровых работ.
Известна ребристая буровая коронка (см. RU №47042, кл. Е21В 10/02, опубл. 10.08.2005 г.), предназначенная для бурения скважин в горных породах средней твердости и изготовленная на основе ребристого инструмента из цельной металлической заготовки, с ребрами, обеспечивающими большие зазоры между стенками скважины и колонковой трубой. Предлагаемая коронка оснащена вертикальными резцами квадратного сечения со ступенчатым расположением. При бурении в абразивных горных породах, внешние подрезные резцы, расположенные вертикально на самом краю торцевой части буровой коронки подвержены интенсивному износу и выпадению, что в последствии приводит к саморазрушению всего инструмента. В связи с этим использование коронки известной конструкции будет малоэффективно при бурении с продувкой воздухом в условиях криолитозоны.
Известна универсальная буровая коронка (см. RU №157795, кл. Е21В 10/48, опубл. 10.12.2015 г.) для бурения горных пород 7-9 категорий буримости с промывкой. Инструмент характеризуется тем, что содержит калибрующие резцы горизонтального расположения с внешней стороны короночного кольца, при этом отсутствует расширение в корпусе инструмента, что создает минимальный зазор между стенками скважин и колонковой трубой. Кроме того, промывочные окна выполнены в виде наклонных узких трапеций, что при использовании в качестве очистного агента сжатого воздуха (особенно в условиях многолетней мерзлоты, где применение промывочной жидкости не всегда возможно) инструмент зашламовывается, в нем преждевременно затупляются резцы, в результате резко снижается эффективность бурения.
Предлагаемая полезная модель буровой коронки направлена на повышение эксплуатационных возможностей, снижение энергоемкости процесса бурения и увеличение прочностных характеристик коронки.
Настоящая полезная модель обеспечит следующие технические результаты: повышение механической скорости бурения и снижение расходов коронок на проходку скважины; увеличение разрушающей способности и обеспечение возможности бурения более твердых (мерзлых) пород за счет использования скважинообразующих, кернообразующих и калибрующих резцов из твердого сплава повышенной стойкости; обеспечение оптимальной скорости потока воздуха за счет увеличенного объема продувочных каналов и торцевых окон, улучшающих охлаждение резцов при работе; сохранение заданного диаметра скважины за счет выступов вершин скважинообразующих и кернообразующих горизонтальных резцов за наружный и внутренние края короночного кольца.
Для решения поставленной задачи буровая коронка для бурения в условиях криолитозоны, содержащая цельный корпус с присоединительной резьбой и расширением в торцевой части с торцевой, наружной и внутренней поверхностями, продувочные пазы, разделяющие торцевую часть на секторы, армированные скважинообразующими и кернообразующими резцами, соответственно, расположенными по внутреннему и внешнему радиусам торцевой части, размещенными при последовательном чередовании на отдельных секторах и расположенными вертикально, причем вершины граней вертикальных резцов выступают за внешний край наружной и внутренней поверхностей, отличающаяся тем, что крайний ряд наружных вертикальных скважинообразующих резцов расположен выше ступенчато по отношению к внутренним рядам резцов, продувочные пазы проходят вертикально через часть корпуса расширения торцевой части короночного кольца, начиная от сквозного продувочного окна, имеющего прямоугольную форму, и на наружной и внутренней поверхностях торцевой части на каждом из секторов установлены дополнительные калибрующие резцы из сверхтвердого материала, расположенные горизонтально относительно торцевой части, причем на наружной поверхности каждого из секторов размещены не менее двух резцов на одинаковом уровне без смещения относительно друг от друга по вертикальной оси. Кроме того, в качестве сверхтвердого материала для скважинообразующих, кернообразующих и дополнительных горизонтальных резцов используется кубический нитрид бора.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков устройства буровой коронки обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно эффективную проходку скважины и удаление породы с кольцевого забоя, формирование ствола скважины и керна.
Известно, что в условиях многолетней мерзлоты повысить скорость бурения и ресурс породоразрушающего инструмента возможно за счет улучшения очистки забоя от шлама путем применения коронок с расширенной торцевой частью с резцами из сверхтвердых материалов и применением горизонтальных подрезных резцов по внешней и внутренней поверхности инструмента, обеспечивающих существенно большие зазоры между инструментом, стенками скважины и керном.
Заявленное решение иллюстрируется чертежами, где схематически показано устройство буровой коронки: на фигуре 1 – вид сбоку с разрезом, на фигуре 2 – вид снизу.
Буровая коронка состоит из корпуса 1 на основе утолщенной заготовки, торцевая часть которой выполнена с расширением 2, и блока резцов, армированных сверхтвердым материалом, в т.ч. ряд скважинообразующих и кернообразующих вертикальных резцов 5, ряд дополнительных резцов, расположенных горизонтально относительно торцевой части, причем в два ряда – с выступом по наружной поверхности цилиндрического корпуса коронки 6 и выступом по внутренней поверхности корпуса 7 (см. фиг. 1, 2).
Размеры резцов (по ширине) подбираются из условий полного перекрытия кольцевого забоя. Торец коронки полностью перекрывается, например, группой из шести вертикальных резцов 5, устанавливаемых в каждом из секторов 8, причем крайний наружный резец 9 размещается выше от уровня остальных резцов 5 внутри короночного кольца, образуя ступенчатое их расположение. Известно, что ступенчатый забой в определенных условиях позволяет повысить общую скорость проходки за счет уменьшения площади фронтального разрушения породы инструментом и образования зоны предразрушения на ступенчатом забое.
Суммарная площадь каналов меньше минимальной площади сечения замков бурильных труб, чтобы обеспечить свободный вынос частиц породы, в т.ч. крупных.
Известно, что минимальная скорость воздуха в затрубном пространстве должна составлять 15-18 м/сек. Оптимальная скорость потока воздуха обеспечивается за счет увеличенного объема продувочных каналов 4 и торцевых окон 3, что также улучшает охлаждение резцов при работе. Объемы продувочных каналов созданы за счет каналов 4, выполненные в виде глубокой канавки в части расширения 2 торцевой части коронки, проходящей вертикально через продувочные окна 3 прямоугольной формы, вырезанные в корпусе 1, сопоставимой шириной с каналами 4, и разделяющие торцевую часть на секторы.
Цельнометаллический корпус коронки обеспечивает надежность устройства в целом и способствует увеличению ресурса службы резцов за счет массивной конструкции.
Наличие дополнительных горизонтальных резцов 6, 7 на боковой поверхности породоразрушающего инструмента обеспечивает: калибровку ствола скважины, что предотвращает осложнения при бурении скважин средней глубины; максимальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины, что обуславливает хорошую очистку забоя скважины от шлама (см. фиг. 2). При этом на наружной поверхности в каждом секторе установлены, по меньшей мере, два резца 6, последовательно, без смещения по вертикальной оси, охлаждаемые продувочным воздухом, которые обеспечивают получение скважины необходимого размера по диаметру. На внутренней поверхности в каждом секторе установлен один резец 7, охлаждаемый продувочным воздухом, и обеспечивает получение керна ненарушенной структуры.
Длина резьбы независимо от ее диаметра составляет 30 мм с увеличением до 2 мм; в пределах того же размера выполняются проточка (3 мм) и сбег резьбы (не превышающий 6 мм).
Число резцов 5 в коронке должно быть подобрано из соображения рациональной насыщенности инструмента из условия бурения в одинаковых условиях, при котором механическая скорость снижается обратно пропорционально корню из числа резцов:
Число резцов в коронке
3
6
9
12
Механическая скорость, см/мин
7,75
5,9
4,5
3,9
В качестве резцов из сверхтвердого материала возможно применение нанокубического нитрида бора (например, микробор), сравнительные характеристики которого представлены в таблице. Кубический нитрид бора является новым синтетическим сверхтвердым материалом, который по твердости приближается к алмазу, но имеет более высокую теплостойкость, и представляет собой химическое соединение двух элементов - бора (43,6%) и азота (56,4%). Он имеет кристаллическую решетку почти с такими же строением и параметрами, как и алмаз (см. Шипило В. Б., Аниченко Н. Г., Старченко И. М. и др. Структура и свойства композиционных материалов на основе кубического нитрида бора, спеченных при высоком давлении // Сверхтвердые материалы. 1996. № 5. С. 8–12).
В процессе бурения следят за работой компрессора и поддерживают заданный режим бурения. После заполнения колонковой трубы керном выполняют подъем бурового снаряда и извлекают на поверхность.
Использование настоящей полезной модели позволит увеличить прочностные свойства коронки и их эксплуатационные возможности за счет использования дополнительных горизонтальных резцов, снизить в целом энергоемкость процесса бурения в условиях криолитозоны и обеспечить эффективную проходку скважины и удаление породы с кольцевого забоя, формирования ствола скважины и керна.
Таблица
Сравнительная характеристика сверхтвердых материалов
Микротвердость, ГПа
Теплостойкость, <sup>°</sup>С
Быстрорежущая сталь
5
715
Твердый сплав
10
900
Керамика
20
1100
КНБ
37
1200
НКНБ Микробор
65
1500
Алмаз синтетический
95-100
1100
Алмаз природный
100
650 (трещинообразование)500 (графитизация)