АЛМАЗНАЯ СТУПЕНЧАТАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА
DIAMOND PILOT DRILL BIT

Изобретение относится к буровой технике и, в частности, к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами, для бурения глубоких скважин, в том числе с применением снарядов со съемными керноприемниками в условиях затрудненного получения кондиционного выхода керна.
Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с дополнительными цилиндрическими и боковыми и наклонными промывочными каналами, отличающаяся тем, что дополнительные цилиндрические каналы смещены по радиусу к центру пилота (см. Патент США №3026952, 175-330).
Недостатком этой коронки являются:
- нерациональная схема размещения выходов продольных цилиндрических каналов на торце матрицы, в результате чего керн подвергается воздействию боковых потоков промывочной жидкости и разрушается;
- не оптимальный диаметр дополнительного цилиндрического канала, что не обеспечивает формирование гидромониторного эффекта струи;
- выполнение наклонных промывочных каналов с постоянной емкостью;
- наличие острых входных кромок в дополнительных цилиндрических каналах.
Указанные недостатки обуславливают при применении такой коронки низкие механическую скорость бурения и стойкость и уменьшение сохранности керна.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является алмазная ступенчатая буровая коронка, включающая алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой (см. Описание полезной модели «Алмазная ступенчатая коронка». Свидетельство на полезную модель №10767 от 16.08.1999, Рф).
Недостатком этой коронки являются:
- нерациональная схема размещения выходов дополнительных цилиндрических каналов матрицы и неоптимальный диаметр этих цилиндрических каналов, а также не рациональное соотношение площадей поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов и дополнительных цилиндрических промывочных каналов.
Предлагаемое техническое решение направлено:
- на увеличение механической скорости бурения и стойкости коронки за счет рациональной схемы размещения на торце матрицы выходов продольных цилиндрических промывочных каналов и оптимальной конструкции этих каналов, а также наклонных промывочных каналов и повышение сохранности керна путем предотвращения размывающего воздействия на керн боковых потоков промывочной жидкости вследствие выбора рационального соотношения площадей поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов и дополнительных цилиндрических промывочных каналов.
Поставленная задача решается тем, что в алмазной ступенчатой буровой коронке, включающей алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами, выходящими в торцевые промывочные каналы, на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой, суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из соотношения
n
S=(0,1÷0,3)S,
где S - суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки;
n
S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов;
при этом дополнительные цилиндрические промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы, а диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала определяется по зависимости
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>π</mi><mi>ε</mi><mi>n</mi><mi>V</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где d -диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;
Q - расход промывочной жидкости;
V - скорость истечения промывочной жидкости;
ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);
n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке,
кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки.
Благодаря тому, что суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из соотношения
<mrow><mtext>S</mtext><mo>=</mo><mtext>(0</mtext><mtext>,1</mtext><mo>÷</mo><mtext>0</mtext><msub><mrow><mtext>,3)S</mtext></mrow><mtext>n</mtext></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где S - суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки;
n
S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов,
происходит при бурении такое распределение потока промывочной жидкости в алмазной ступенчатой буровой коронке на забое скважины при котором его большая часть проходит через дополнительные цилиндрические промывочные каналы не размывая керн, а меньшая часть просачивается через узкие внутренние боковые промывочные каналы, с ослаблением напора и только омывает керн без его интенсивного размыва. Это обуславливает повышение сохранности выбранного керна горной породы.
Вследствие того, что дополнительные цилиндрические промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы повышается эффективность разрушения углового участка забоя скважины.
Исследованиями алмазного бурения, проведенными в ОАО «Тульское НИГП» установлено (Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. «Алмазный породоразрушающий инструмент» - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. - 288 с., ил.), что участок зоны сопряжения забоя со стенкой скважины имеет более высокую энергоемкость разрушения по сравнению с остальной областью забоя. Поэтому струи жидкости, выходящие из дополнительных цилиндрических каналов и направленные на угловой участок забоя скважины, разрушаемый при бурении периферией пилота матрицы, обеспечат снижение энергоемкости разрушения этой части забоя.
Благодаря тому, что диаметр дополнительного цилиндрического канала определяется по зависимости
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>π</mi><mi>ε</mi><mi>n</mi><mi>V</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;
Q - расход промывочной жидкости;
V - скорость истечения промывочной жидкости;
ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);
n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке,
кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических промывочных каналов выполнены коническими с острым углом при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки, в каждом дополнительном цилиндрическом промывочном канале формируется компактная струя с высоким гидромониторным эффектом, что позволяет повысить эффективность разрушения породы на забое, ее быстрый вынос из зоны разрушения благодаря чему повышается механическая скорость бурения алмазной коронкой и стойкость коронки.
Скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала можно определить по известной формуле Торичелли (P.P. Чугаев. Гидравлика. - Л.: Энергоиздат, 1982 - 672 с.)
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi><mi>h</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где V - скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала;
g - ускорение свободного падения;
h - напор промывочной жидкости.
В формулу Торичелли обычно вводится поправка, называемая коэффициентом скорости φ. При учете указанной поправки скорость истечения промывочной жидкости будет
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mi>ϕ</mi><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi><mi>h</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где V - скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала;
g - ускорение свободного падения;
h - напор промывочной жидкости;
φ - коэффициент скорости.
Объемный расход промывочной жидкости, вытекающей из дополнительных цилиндрических каналов алмазной коронки можно определить по известной формуле (И.Л. Повх. Техническая гидромеханика. Л. «Машиностроение» 1976-504 с.)
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>ϕ</mi><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi><mi>h</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Q - расход промывочной жидкости;
φ - коэффициент скорости (φ=0,94÷0,99);
ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);
S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов алмазной коронки;
g - ускорение свободного падения;
h - напор промывочной жидкости.
Суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке определяется по зависимости
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов алмазной коронки;
d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;
n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке.
Решая уравнение (5) с учетом выражений (4) и (6) относительно диаметра d, находим
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>π</mi><mi>ε</mi><mi>n</mi><mi>V</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;
Q - расход промывочной жидкости;
V - скорость истечения промывочной жидкости;
ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);
n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке.
Алмазная ступенчатая буровая коронка состоит из корпуса 1 с наружной кольцевой проточкой 11, алмазосодержащей матрицы 2 с пилотом 7, разделенной на секторы 10 промывочными каналами: торцовыми - 5, боковыми внутренними 6 и наружными 3, наклонными 4, дополнительными цилиндрическими каналами 8 с входными кромками 9 (фиг.1, 2).
Алмазная ступенчатая буровая коронка работает следующим образом: при создании окружного и осевого усилий происходит разрушение горной породы коронкой при этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 коронки разделяется на два неравных по объему потока: меньший по объему поток просачивается через узкие внутренние боковые промывочные каналы 6, охлаждает внутренние подрезные алмазы, теряет часть напора и только омывает керн без его размыва. Больший по объему поток проходит через дополнительные цилиндрические каналы 8, формируется в них в компактную струю и благодаря гидромониторному эффекту интенсивно разрушает ослабленную алмазными резцами породу забоя, разрушенные части которой полностью выносятся с забоя, в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их.
Благодаря такому выполнению алмазной ступенчатой буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы, и ее удаление с забоя при минимальном износе рабочей части коронки, максимальной скорости бурения и высокой сохранности керна.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости и механической скорости бурения горных пород при высокой сохранности керна.
Экономический эффект на одну алмазную коронку диаметром 76 мм составляет 4000 руб.