Алмазная коронка для бурения

Полезная модель относится к области бурения твердых анизотропных горных пород с отбором керна.
Необходимость данного технического решения определяется тем, что при бурении анизотропных горных пород наблюдается искривление скважин, что снижает эффективность буровых работ. В связи с этим важно иметь такой буровой инструмент, который бы позволил решать задачу снижения искривления скважин при бурении анизотропных горных породах.
Для снижения искривления скважин при бурении твердых анизотропных горных пород известна конструкция алмазной коронки (патент на полезную модель №148333, Е21В 10/02, опубликовано 10.12.2014 г.), которая содержит корпус с резьбой, матрицу с алмазосодержащими секторами одной геометрической формы и размеров и промывочные каналы двух типов - узкий и широкий, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы, а также различную насыщенность алмазами секторов матрицы. У данной коронки на одной из половин торца матрицы выполнены два широких промывочных канала, между которыми по разную от широких промывочных каналов сторону имеется не равное количество алмазосодержащих секторов. Узкие промывочные каналы разделяют сектора матрицы коронки по обе стороны от широких промывочных пазов.
Наличие двух широких промывочных каналов и алмазосодержащих секторов между широкими промывочными каналами, обеспечивает эксцентриситет торца матрицы, исключает какой-либо существенный перекос алмазной коронки при бурении, а значит и дополнительный изгиб колонкового набора.
Недостатком данной полезной модели является низкий ресурс из-за того, что различные по размеру промывочные каналы при бурении создают различные по величине гидравлические сопротивления на выходе бурового раствора из коронки: минимальные гидравлические сопротивления возникают в широких промывочных каналах, а максимальные в узких промывочных каналах, а в результате алмазосодержащие секторы, между которыми выполнены узкие промывочные каналы, охлаждаются при бурении недостаточно и поэтому более интенсивно изнашиваются, что снижает ресурс коронки.
Известна алмазная коронка для бурения (RU №171734, Е21В 10/02, опубликовано 13.06.2017 г.), включающая корпус с резьбой, элементы опорно-центрирующего пояса, промывочные каналы одинаковой площади поперечного сечения и алмазосодержащие секторы трех геометрических форм в виде сегментов кольца - неизмененных и измененных первого и второго типа, при этом первый тип измененных алмазосодержащих секторов имеет больший внутренний диаметр, чем у неизмененных секторов, и второй тип алмазосодержащих секторов, имеющих одинаковый внутренний диаметр с неизмененными секторами, но меньший внешний диаметр, при этом суммарная ширина двух алмазосодержащих секторов первого и второго типа больше, чем ширина неизмененного сектора, и они расположены последовательно в одной из половин торца матрицы.
Недостатком данной конструкции является наличие измененных алмазосодержащих секторов матрицы двух типов, имеющих меньшие внутренние или наружные диаметры, что приводит к снижению их агрегатной прочности и при бурении, например, трещиноватых или крупнозернистых пород может приводить к слому или сколу части алмазосодержащего сектора матрицы коронки.
За прототип принята алмазная коронка (патент на полезную модель №161061, опубликовано 10.04.2016) которая содержит корпус с резьбой, матрицу с алмазосодержащими секторами одной геометрической формы, разделенными промывочными каналами различной ширины - несколькими узкими и двумя широкими, не равное количество алмазосодержащих секторов по разную от широких промывочных каналов сторону, отличающаяся тем, что в пределах широких промывочных каналов установлены перегородки, полностью перекрывающие каналы, при этом в перегородках выполнены по два отверстия, каждое из которых примыкает к алмазосодержащим секторам широкого промывочного канала и площадью, равной площади узкого промывочного канала.
Наличие двух широких промывочных пазов и алмазосодержащих секторов между широкими промывочными пазами, обеспечивая эксцентриситет торца матрицы, исключает какой-либо существенный перекос алмазной коронки при бурении, а значит и дополнительный изгиб колонкового набора.
В целях избавления от гидравлических проблем в данном прототипе включены перегородки. Они выполнены из металла и едины с корпусом коронки, но при этом их толщина очень мала, что обеспечивает перекрытие каналов, но определяет высокую изнашиваемость этих перегородок по высоте в процессе бурения. В перегородках выполнены отверстия для прохода раствора.
Недостатком данного прототипа является то, что в коронку вводятся дополнительные элементы - перегородки, снижающие надежность всей конструкции. Еще одним недостатком данного прототипа является то, что при производстве и установке перегородок увеличиваются затраты на его производство.
Задачей предлагаемой конструкции является обеспечение стабилизация направления скважины со снижением интенсивности естественного искривления скважин.
Достигается это тем, что алмазная коронка для бурения, включающая корпус с резьбой, промывочные каналы равной геометрической формы, элементы опорно-центрирующего пояса и неравные алмазосодержащие секторы, с углами между осями промывочных каналов должны соответствовать условию: β > α, при последовательности их размещения в торце без чередования.
Т.к. углы обхвата β больше чем углы обхвата α последовательно, то на половине торца коронки с меньшими углами обхвата α будет находиться большее число промывочных каналов одной геометрической формы, что приведет к разности площадей алмазосодержащих секторов матрицы коронки и, в конечном итоге, к возникновению эксцентриситета режущей части торца матрицы.
Наличие неравных углов β и α алмазосодержащих секторов матрицы коронки приводит к неравномерному распределению сил сопротивления резанию скалыванию и обеспечивает в процессе бурения вращение алмазной коронки с вращением вокруг собственной оси и вокруг оси скважины с недопущением ориентированного перекоса ее торца на забое под действием дестабилизирующих сил и моментов сил. Таким образом, обеспечивается стабилизация направления скважины со снижением интенсивности естественного искривления скважин.
Устройство изображено на фиг. 1 и 2.
Предлагаемая коронка состоит из корпуса 1 с резьбой 2, элементов опорно-центрирующего пояса 3 с пластинами из сверхтвердого материала 7, неравных алмазосодержащих секторов матрицы 4 и 5 с пластинами из сверхтвердого материала 6, разделенных промывочными каналами равной геометрической формы 8. Алмазосодержащие секторы и половины прилегающих к ним промывочных каналов матрицы 4 имеют углы β, а алмазосодержащие секторы матрицы 5 имеют углы обхвата α. Таким образом, при условии, что углы β > α обеспечивается эксцентриситет торца матрицы.
Предлагаемая коронка работает следующим образом.
При бурении, когда алмазная коронка воспринимает действие осевого усилия, передающегося посредством резьбы 2 и корпуса 1, алмазы алмазосодержащих секторов матрицы 4 и 5 внедряются в горную породу. За счет неравного размера алмазосодержащих секторов матрицы 4 и 5 в торце коронки, с углами β и α которые включают в себя алмазосодержащие секторы и половины прилегающих к ним промывочных каналов, неравномерно распределяются промывочные каналы равной геометрической формы 8, что приводит к возникновению сил, способствующих прижатию корпуса 1 алмазной коронки к стенке скважины, которую, в свою очередь, защищают от износа элементы опорно-центрирующего пояса 3 с пластинами из сверхтвердого материала 7 и пластины из сверхтвердого материала 6 в алмазосодержащих секторах матрицы 4 и 5.
б
м
м
б
б
м
Поскольку при бурении данная коронка активно прижимается и фрезерует стенку скважины, во избежание износа коронки и снижения фрезерующей способности элементы опорно-центрирующего пояса и поверхность боковых секторов матрицы с углами обхвата α имеют повышенную концентрацию защищающих от износа пластин из сверхтвердого материала в соотношении F/F, а остальные элементы опорно-центрирующего пояса и поверхность секторов матрицы в соотношении F/F где F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца с меньшим количеством промывочных каналов, a F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца с большим количеством промывочных каналов.
Подобное усиление боковой поверхности и поверхности матрицы коронки защищает ее от неравномерного износа и фрезерования наружной поверхности матрицы.
Предлагаемое техническое решение имеет выдержанные внутренний и внешний диаметр по всей поверхности матрицы коронки, и таким образом обеспечивает более эффективную работу породоразрушающего инструмента при бурении трещиноватых и крупнозернистых пород за счет более высокой агрегатной прочности алмазосодержащих секторов матрицы, сохраняя, при этом, стабилизирующих эффект.