Алмазная буровая коронка

Техническое решение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником. Бурение скважин в сложных горно-геологических условиях комплексами технических средств со съемными керноприемниками (ССК), например комплексами КССК-76, невозможно без применения высоковязких структурированных буровых промывочных жидкостей. В таких условиях алмазная буровая коронка должна иметь высокие ресурс и механическую скорость бурения, а также удовлетворять заданным размерам, которые позволят использовать высоковязкие буровые промывочные растворы. Максимальным ресурсом обладают многослойные алмазные или так называемые импрегнированные буровые коронки.
Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, армированные алмазами (см. авт. св. СССР №308181, кл. Е21В 10/48, 1970 г.).
К недостаткам этой буровой коронки следует отнести малую продолжительность эксплуатации бурильной колонны из-за больших осевых нагрузок на коронку, без которых невозможна ее эффективная работа. Так как алмазная буровая коронка имеет большую площадь алмазосодержащих матриц, то уменьшается механическая скорость бурения.
Наиболее близкой к заявляемой по техническим параметрам и одной из наиболее долговечных импрегнированных алмазных буровых коронок является алмазная буровая коронка (пат. РФ №2445438, кл. Е21В 10/48, 2012 г.). Алмазная буровая коронка включает корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным трехступенчатым и подрезными слоями, гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами.
Недостатком известной буровой коронки является ограниченность использования в сложных горно-геологических условиях, так как невозможно реализовать условия высокоскоростного бурения с заданными технологическими параметрами. Использование высоковязких буровых промывочных растворов для повышения устойчивости скважины будет нереализуемо совместно с этой буровой коронкой в силу чрезвычайно больших потерь давления на прокачивание бурового промывочного раствора, что не согласуется с программой бурения.
В основу заявляемого технического решения положена задача повышения производительности алмазной буровой коронки при бурении в сложных горно-геологических условиях за счет снижения потерь давления при прокачивании высоковязких буровых промывочных растворов.
Поставленная задача решается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезным слоями и сообщающимися с наружным и внутренним цилиндрическими каналами промывочными окнами, образующую режущую часть, согласно новому техническому решению промывочные окна выполнены косой с закруглениями и расширяющейся к наружному цилиндрическому каналу формы при условии, что
,
k
где D - внешний диаметр режущей части буровой коронки, м;
d – внешний диаметр корпуса буровой коронки, м;
λ - коэффициент гидродинамического сопротивления движению бурового раствора;
U - скорость подачи бурового раствора, м/с;
L - длина скважины, м;
max
P - максимальный перепад давления, при котором возможно проводить процедуру бурения без аварийных ситуаций, Па;
3
- плотность бурового раствора кг/м.
На фигуре 1 схематично изображена заявляемая алмазная буровая коронка в разрезе (1а) и вид со стороны режущей части (1б).
Алмазная буровая коронка включает корпус коронки 1 и алмазосодержащую матрицу 2. Алмазосодержащая матрица с импрегнированным и подрезными слоями включает в себя промывочные окна 3, внутренний цилиндрический канал 4 и образует наружный цилиндрический канал 5 между алмазной буровой коронкой и стенкой скважины. Промывочные окна выполнены косой с закруглениями и расширяющейся к наружному цилиндрическому каналу формы. Важной особенностью буровой коронки является соотношение диаметров режущей части и внешнего диаметра корпуса коронки в пределах от 1.09 до 1.14 (оптимально 1.114).
Заявляемая алмазная буровая коронка работает следующим образом. При бурении скважины возникает осевое и окружное усилия, под действием которых происходит эффективное разрушение горной породы режущей частью алмазной буровой коронки. При этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 по внутреннему цилиндрическому каналу 4 проходит через промывочные окна 3, омывая алмазосодержащую матрицу 2, и через наружный цилиндрический канал 5 полностью выносит разрушенные частицы породы из скважины, в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их. Преимущество косых промывочных окон заключается в уменьшении завихрений в потоке проходящей через них промывочной жидкости, заметно снижается износ в набегающей части алмазоносных секторов матрицы, который происходит при бурении сильно абразивных пород. Используемые косые промывочные окна с закруглением способствуют меньшему гидравлическому сопротивлению по сравнению с прямыми радиальными, как в известной буровой коронке.
Процесс бурения можно описать следующими уравнениями.
где
[Ибатулов К.А. Пересчет характеристик центробежных насосов с воды на нефть. Азнефтеиздат, 1952],
где Re - число Рейнольдса, характеризующее течение жидкости,
n и k - реологические показатели бурового раствора, характеризующие его физические свойства.
Для алмазной буровой коронки проведены расчетно-экспериментальные исследования, в результате которых подтверждено влияние реологических показателей бурового раствора и отношения диаметров режущей части и корпуса коронки на значение потерь давления в стволе скважины при прокачивании буровых растворов.
Для проведения исследований использовали высоковязкие буровые растворы, расход жидкости 30 л/мин, частота вращения бурильной колонны 500 об/мин, плотность растворов 1.0 - 1.1 г/см3. Реологические показатели буровых растворов и результаты исследований представлены в таблице,
n
Результаты исследований показали, что увеличение внешнего диаметра режущей части буровой коронки на 2 мм приводит к снижению гидравлических потерь давления при прокачивании буровых промывочных растворов (n=0.36-0.41, k=0.94-1.52 МПа⋅с) с расходом 30 л/мин и частоте вращения бурильной колонны 500 об/мин на 76.5-80.0%. При увеличении внешнего диаметра режущей части алмазной буровой коронки на 4 мм гидравлические потери давления снижаются в 2.8 - 2.9 раза по отношению к гидравлическим потерям давления при стандартном внешнем диаметре режущей части коронки в 76 мм, но происходит увеличение нагрузки на бурильную колонну.
Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы и удаление ее частиц при наименьшем износе рабочей части буровой коронки.
Кроме того, важной особенностью данной буровой коронки является возможность применять специальные растворы промывочных буровых жидкостей, использование которых невозможно при работе с существующими аналогами. Заявляемая алмазная буровая коронка в комплексе с этими растворами повышает эффективность бурения глубоких геологоразведочных скважин комплексами КССК за счет повышения устойчивости ствола скважины и увеличения скорости бурения.
Таким образом, технический результат предлагаемого технического решения, заключающийся в повышении производительности алмазной буровой коронки, достигается путем снижения гидродинамического давления в стволе и использования более вязких промывочных буровых растворов, а также в повышении устойчивости ствола скважины и увеличении скорости бурения и проходки скважины.