КОРОНКА ТЕРМОРЕЗЦОВАЯ С ГЕРМЕТИЗАТОРОМ ЗАБОЯ
HEAT CUTTING HEAD WITH BOTTOMHOLE STRIPPER

Изобретение относится к горному делу, а именно, к буровой технике, применяемой при проходке геологоразведочных и других скважин различного целевого назначения, и также может быть использовано при бурении шпуров.
Известна алмазно-твердосплавная коронка, состоящая из корпуса, алмазных секторов и твердосплавных резцов [1]. Достоинством этой коронки является то, что алмазные сектора, разупрочняя поверхностный слой породы бороздками, микро- и макротрещинами, облегчают внедрение твердосплавных резцов в породу, а те в свою очередь, снимая микротрещиноватый слой, уменьшают объем породы под торцом алмазных секторов и тем самым облегчают вынос шлама и предотвращают преждевременный износ алмазных секторов. Следует также заметить, что в этой коронке алмазные сектора наряду с резанием ограничивают поступление промывочной жидкости под торец алмазной коронки, поэтому выполняют и роль секторов-герметизаторов, играющих двоякую роль. В начальный период эксплуатации коронки, когда алмазы не выступают за плоскость торца коронки, и требуется ее заточка, т.е. обнажение импрегнированных в матрице зерен алмаза, герметизация забоя играет положительную роль. Быстрый износ матрицы коронки из-за повышения ее температуры обнажает зерна алмаза и способствует их внедрению в породу забоя. С другой стороны из-за герметизации забоя алмазными секторами и происходит интенсивный нагрев алмазов, что вызывает их преждевременный износ. Существенным недостатком этой коронки является недостаточное разупрочнение алмазными секторами крепких пород, вследствие чего наблюдается быстрый износ твердосплавных резцов.
Наиболее близкой по технической сути и достигаемому эффекту является коронка с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора с фрикционными элементами, термоизоляцией забоя скважины и с резцами из термо-износостойкого инструментального материала, при этом резцы имеют выпуск, обеспечивающий врезку в забой, а их лезвия образуют общую плоскость, параллельную плоскости торца коронки [2]. Достоинством этой коронки является повышение КПД резания за счет уменьшения теплоотвода от нагретого при резании пород забоя и использования тепла резания для их разупрочнения. Сектора с фрикционными элементами являются также секторами-герметизаторами, предотвращающими поступление паровоздушной смеси под торец коронки, что и обеспечивает эффективный нагрев пород забоя.
Существенный недостаток коронки проявляется при бурении крепких трещиноватых пород, когда бурение сопровождается частыми заклиниваниями бурильных труб. В этом случае, когда труба заклинится в скважине вывалившимися мелкими обломками породы, коронка замедлит вращение или даже остановится, а верхняя часть бурильных труб будет и дальше закручиваться. Но когда труба раздавит заклиненные осколки породы, резцы коронки воспримут касательный динамический удар, который может срезать все внедренные в породу резцы. При бурении и монолитных пород зачастую происходят подобные динамические процессы, но с меньшей амплитудой. Они вызваны тем, что когда под действием осевого усилия вращающаяся буровая труба изгибается, происходит удар трубы об стенки скважины, вследствие этого за счет трения о породу нижняя часть трубы тормозится. Многократно повторяясь, эти процессы значительно снижают долговечность резцов коронки. Также есть опасность ударного разрушения сверхтвердых резцов при посадке бурового снаряда на забой. Все это не позволяет широко применять менее ударопрочные, чем твердосплавные сверхтвердые инструментальные материалы в породоразрушающих инструментах для бурения скважин. Существенным конструктивным недостатком является наличие специализированного массивного фрикционного элемента из термо-износостойкого материала.
Исходя из вышеизложенного, могут быть поставлены задачи защиты резцов, изготовленных из термостойких и сверхтвердых инструментальных материалов, от случайных динамических воздействий при бурении и упрощения конструкции коронки. Поставленные задачи решаются тем, что в коронке для бурения скважин в твердых и абразивных горных породах, включающей корпус с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора-герметизаторы забоя, и самозатачивающиеся сверхтвердые и термостойкие резцы, лезвия которых образуют общую плоскость, параллельную плоскости торца коронки, резцы устанавливают на корончатое кольцо так, что их плоскость совпадает или ниже плоскости торца коронки на величину износа секторов-герметизаторов в период заточки коронки.
Благодаря этому сектора препятствуют прониканию воды под ними и служат герметизаторами забоя. При этом конструкция коронки предусматривает установку резцов спереди секторов-герметизаторов, а сзади изготовление промывочных каналов для охлаждения резцов и очистки забоя скважины.
При работе коронки врезка резцов в забой и съем поверхностного слоя породы гарантируется тем, что сектор-герметизатор имеет значительно низкую износостойкость, чем сверхтвердые износостойкие резцы, и что нагретая поверхность породы разупрочняется и, легко деформируясь, обеспечивает более глубокое внедрение резцов за счет пластического течения или разрушения, чем были бы твердосплавные резцы. Таким образом, при бурении врезка резцов в забой осуществляется за счет нагрева, разупрочнения и большей деформации породы под резцами, чем спереди и сзади них, и опережающего износа секторов-герметизаторов.
В предлагаемом решении поставленной задачи устраняется доступ промывочной жидкости к нагретому резцом части забоя и потому значительно уменьшается теплоотток из забойной зоны. Но тем не менее нагрев корпуса коронки приводит к значительным потерям тепловой энергии. Чтобы уменьшить эти потери, сектора-герметизаторы можно изготовить из материалов с низкой теплопроводностью, например, из пористых металлических или керамических материалов. Кроме того, наряду с термоизоляцией, теплоотток может быть уменьшен за счет выполнения части корпуса коронки выше корончатого кольца из прочной стали и более меньшего сечения, чем сечение корпуса коронки.
В предлагаемой конструкции резцы работают в высокотермонапряженных условиях. Поэтому в качестве материала резцов в новой коронке перспективно применение специальных термостойких инструментальных материалов, как спеченный из нанопорошков кубический нитрид бора (НаноКНБ), выпускаемый ЗАО «Микробор нанотех». НаноКНБ обладает действительно уникальными характеристиками: твердость 65 ГПа, термостойкость до 1500°С. Причем пайка резцов из этого материала проводится специальным припоем «Микробор» с температурой плавления 1200°С.
Предлагаемая коронка для термофрикционного бурения горных пород имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- благодаря контакту коронки не только резцами, но и торцом коронки, значительно сглаживаются пики динамических касательных ударов по резцам;
- при постановке бурового снаряда на забой нагрузка на резец по мере деформации пород забоя перераспределяется на торец коронки, представляющий задний угол резца менее одного градуса.
- в процессе бурения коронка эффективно самозатачивается, что позволяет использовать резцы со значительной высотой, как в твердосплавных коронках типа СА.
- значительно упрощена конструкция коронок.
В новой коронке мы отошли от общепринятого принципа опережающего торец коронки выпуска резцов. В нашей коронке торец коронки, изнашиваясь, образует задний угол менее градуса и всегда находится в контакте с породой. Несмотря на кажущуюся простоту в силу вышеприведенных доводов считаем, что наше предложение обладает новизной и изобретательским уровнем.
На фиг.1 изображен общий вид буровой коронки для проходки геологоразведочных скважин; на фиг.2 - вид на фиг.1 снизу; на фиг.3 - коронка с секторами с меньшей теплопроводностью, чем корпус коронки; на фиг.4 - коронка с уменьшенным сечением нижней части корпуса.
Коронка состоит из корпуса 1, секторов-герметизаторов забоя 2 и резцов 3; в корпусе коронки изготовлены промывочные каналы 4 и водосливные отверстия 5.
Коронка работает следующим образом. При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения макро- и микронеровности породы будут сминаться, а сама порода под сверхтвердым резцом упруго деформируется больше, чем под торцом коронки, так как модуль упругости материала резцов приближается к модулю алмаза и превышает стали в сотни раз. Благодаря этому тепло будет генерироваться в основном под сверхтвердыми и термостойкими резцами, а стальной сектор будет изнашиваться и препятствовать доступу воды под торец коронки по наружному и внутреннему диаметрам. При этом от тепла трения резцов порода будет разупрочняться, что позволит внедряться резцу в забой и отделять слой породы мелкими чешуйками и стружкой.
Предположим, что коронка ⌀76 мм, проектная механическая скорость бурения 3,6 м/час или 0,001 м/сек, оптимальное число оборотов 300 об/мин или 5 об/сек, а на одной линии резания 4 резца. Простые расчеты показывают, что внедрение резца при этом составит
Таким образом, из расчета видно, что теоретически для резания горных пород выпуск резцов измеряется сотыми и десятыми долями миллиметра, а задний угол резца формируется за счет износа стального торца коронки и составляет десятки минут.
В предлагаемой конструкции сектор коронки не является генератором тепла, и при вращении коронки на время прохождения сектором нагретой резцом точки забоя охлаждающий агент к забою не поступает, тем самым увеличивается продолжительность и глубина нагрева забоя. Благодаря этому поверхностный слой разупрочняется, и следующий резец срезает этот слой, которого подхватывает и уносит через каналы 4 промывочная жидкость. Ввиду того, что для транспортировки продуктов разрушения по затрубному пространству требуется гораздо больше воды, то для подъема бурового шлама некоторое дополнительное количество воды подается в затрубное пространство через сливные отверстия 5.
При бурении коронками с секторами-герметизаторами, изготовленными из материалов с низкой теплопроводностью, например, из пористых металлических или керамических материалов, см. фиг.3, потеря тепла от забоя через корпус коронки значительно уменьшается. Дополнительно к этому можно предложить нижнюю часть корпуса коронки изготовлять с уменьшенным сечением из более прочной марки стали, например, из мартенситно-стареющей или наноструктурированной стали, фиг.4, поз.6. При этом образующиеся по наружному и внутреннему диаметру выемки на нижней части корпуса коронки заполняются теплозащитным и герметизирующим материалом, поз.7. Эффективная локализация тепла резания на забое, т.е. защита от теплопотерь, может обеспечить разупрочнение буримой породы, следовательно, отказаться от специальных фрикционных элементов в породоразрушающих инструментах.
Источники информации
1. А.с. СССР №1760075, Е21В 10/48. Комбинированная буровая коронка [Текст] / Г.В.Арцимович, В.В.Иванов, В.П.Макшаков, Л.Н.Федоров (СССР). - №4745981/03; заявл. 03.10.89; опубл. 07.09.92, бюл. №33. - 4 с.
2. Пат. РФ №2374417, МПК Е21В 7/14. Инструмент для термофрикционного бурения горных пород [Текст] / Федоров Л.Н.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН; заявл. 13.03.2008; опубл. 27.11.2009, бюл. №33.