АЛМАЗНАЯ КОРОНКА ДЛЯ БУРЕНИЯ

Полезная модель относится к области бурения твердых анизотропных горных пород 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 в анизотропных горных породах.
Для бурения скважин в твердых породах применяются различные типы алмазных коронок с кольцевой алмазосодержащей матрицей, разделенной на сектора промывочными пазами равных размеров (см., например, Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник / Н.И. Корнилов, Н.Н. Бухарев, А.Т. Киселев и др. М.: Недра, 1990, с. 52, 63, рис. 2.11, 2.12). Указанная коронка выполняется с матрицей, которая имеет определенную в зависимости от твердости и абразивности горных пород твердость алмазосодержащих секторов и их насыщенность алмазами. Как твердость секторов матрицы, так и насыщенность алмазами секторов матрицы выполняются одинаковыми. При изготовлении коронок насыщенность матрицы алмазами определяется по зависимости (см. там же стр. 72, 73):
,
где N - насыщенность алмазами матрицы, %;\
1
3
V - объем алмазов в матрице, см;
2
3
V - объем матрицы, см.
Насыщенность N матрицы алмазами может составлять для отечественных коронок 6,0; 5,7; 4,5%.
Твердость матрицы определяется по методу Роквелла (HRc) и она может быть очень мягкая - HRc 10-20; 10-20 - мягкая; 25-30 - средней твердости; 30-35 - твердой и 50-55 очень твердой.
Недостатком данного аналога является его низкая эффективность как средства снижающего искривление скважин.
За прототип принята алмазная коронка для компоновки бурового снаряда (№2078193 E21B 10/48, опубл. 27.04.1997 г.), содержащая цилиндрический корпус с резьбой и матрицу, насыщенную объемными и подрезными алмазами и разделенную на сектора промывочными пазами, причем один промывочный паз выполнен увеличенной ширины в сравнении с остальными, что обеспечивает наличие эксцентриситета торца матрицы. В коронке для компоновки бурового снаряда в соответствии с а.с.№2078193 для сохранения ресурса коронки предложено увеличить насыщенность алмазами примыкающих к широкому пазу секторов матрицы на 25%.
Недостатком прототипа является нестабильность работы, так как наличие промывочного паза увеличенной ширины (90 центрального угла) приводит к перекосу коронки в направлении этого паза, что вызывает как перегрузку и неравномерный износ секторов примыкающих к широкому промывочному пазу, так и к повышенной деформации колонковой трубы над коронкой. В результате наблюдается снижение ресурса самой коронки и возрастает вероятность искривления ствола скважины.
При этом не учтено, что повышение ресурса нагруженных секторов матрицы можно получить не только за счет насыщенности алмазами, но и, безусловно, за счет повышения твердости самой матрицы.
Предлагаемая алмазная коронка содержит корпус с резьбой, матрицу с алмазосодержащими секторами одной геометрической формы и размеров, и промывочные пазы двух типов - узкий и широкий, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы.
Согласно полезной модели на одной из половин торца матрицы коронки выполнены два широких промывочных паза, между которыми по разную от широких промывочных каналов сторону имеется неравное количество алмазосодержащих секторов. Узкие промывочные пазы разделяют сектора матрицы коронки по обе стороны от широких промывочных пазов.
б
м
б
м
б
м
При этом согласно полезной модели меньшее число алмазосодержащих секторов, расположенных между широкими промывочными пазами, имеет более высокую твердость, чем остальные алмазосодержащие сектора матрицы, причем твердость этих секторов определяется соотношением F/F, где F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с узкими промывочными пазами, а F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с широкими промывочными пазами. То есть, если коронка имеет твердость секторов матрицы 20 HRc, то меньшее число секторов между широкими промывочными пазами будут иметь твердость равную 20·F/F.
Таким образом, 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.
Увеличенная твердость меньшего числа алмазосодержащих секторов, расположенных между широкими промывочными каналами, сохраняют ресурс коронки на высоком уровне, так как данные сектора будут испытывать более значительные удельные нагрузки при бурении, когда на коронку оказывает действие осевое усилие.
На фиг. 1 показана заявляемая в качестве полезной модели алмазная коронка для бурения.
На фиг. 2 показана торцевая часть заявляемой алмазной коронки для бурения.
На фиг. 3 показана схема торцевой части коронки, поясняющая принцип работы алмазной коронки при резании-скалывании породы алмазными резцами.
Предлагаемая коронка состоит из корпуса 1 с резьбой 2, алмазосодержащей матрицы, разделенной на сектора 3 и 4 промывочными пазами 5 и 6. Промывочные пазы 5 выполнены одного стандартного размера (шириной A), являются более узкими, а промывочные пазы 6 выполнены более широкими (шириной B), чем промывочные пазы 5. Ширина промывочных пазов 6 может быть различна в разных моделях коронки, но неизменно большей, чем ширина промывочных пазов 5. При этом пазы 6 расположены в матрице коронки таким образом, что обеспечивается эксцентриситет торца матрицы, а это достигается тем, что число секторов 3 и 4 по обе стороны от промывочных пазов 5 различно, например, с одной стороны от широких промывочных пазов 6 секторов 3 восемь, а с другой секторов 4 всего два (фиг. 2). Размер пазов 6 и их взаимное расположение на торце коронки задают величину эксцентриситета торца матрицы коронки.
б
м
б
м
При этом сектора 4 имеют более высокую твердость, чем алмазосодержащие сектора 3, причем твердость секторов 4 определяется соотношением F/F, где F - площадь алмазосодержащих секторов 3 на половине торца коронки с узкими промывочными пазами 5, а F - площадь алмазосодержащих секторов 4 на половине торца коронки с широкими промывочными пазами 6.
Предлагаемая коронка работает следующим образом.
При бурении, когда алмазная коронка воспринимает действие осевого усилия, алмазы секторов матрицы 3 и 4 внедряются в горную породу. Поскольку в матрице имеется два широких промывочных паза 6, расположенных с одной стороны от торца матрицы, то торец матрицы имеет смещенный центр тяжести, что приводит к более значительному нагружению при действии осевого усилия на коронку секторов 4, в сравнении с секторами 3. При этом сектора 4 исключают перекос коронки до тех пор, пока эти сектора 4 не получат опережающего, в сравнении с секторами 3, износа. Именно с этой целью сектора 4 изготавливаются более твердыми. Наличие же эксцентриситета торца матрицы обеспечивает то, что при вращении коронки в процессе бурения будет задаваться вращение коронки вокруг оси скважины и исключается режим вращения с ориентированным перекосом коронки, при котором может происходить максимальное искривление ствола скважины (см. В.В. Нескоромных Направленное бурение и основы кернометрии: учеб. пособие для горно-геологических специальностей вузов / В.В. Нескоромных. - Иркутск: изд-во. ИрГТУ. - 2007, стр. 42, раздел 2.2.4).
Ориентированный перекос торца коронки, вызванный изгибом колонкового снаряда и действием дестабилизирующих сил и моментов сил, исключается при бурении предлагаемой коронкой следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
Торец коронки (фиг. 3) можно разделить на две части вдоль осевой линии O-O. Одна половина торца оснащена узкими стандартными промывочными пазами 5, которыми разделены сектора 3. Поскольку алмазы в секторах 3 распределены равномерно, то при бурении, когда на коронку оказывает действие осевое усилие и коронка вращается слева-направо, равнодействующая F единичных сил резания-скалывания породы этой частью торца можно поместить в виде вектора в центре тяжести половины кольца матрицы. Равнодействующая сил - резания скалывания породы на второй половине торца коронки F также может быть направлена из центра тяжести этой половины торца. При этом очевидно, что F>F поскольку за счет наличия двух широких промывочных пазов 6 число алмазных резцов на этой половине торца коронки существенно меньше, чем на противоположной половине торца. В результате разность усилий резания приведет к появлению равнодействующей ΔF=F-F. Усилие ΔF на схеме (фиг. 3) будет располагаться в центре тяжести торца коронки, и ориентировано в сторону большей силы F.
Наличие силы ΔF приводит к тому, что коронка при бурении будет стремиться прижиматься к стенке скважины боковой стороной корпуса 1 и матрицы по направлению действия этой силы. В результате коронка даже под влиянием дестабилизирующих ее вращение сил и моментов сил, вызванных неравномерным разрушением анизотропной горной породы (см. В.В. Нескоромных Направленное бурение и основы кернометрии: учеб. пособие для горно-геологических специальностей вузов/ В.В. Нескоромных. - Иркутск: изд-во. ИрГТУ. - 2007, стр. 62-80, раздел 2.3.1.2) будет стремиться вращаться вокруг оси скважины, сохраняя контакт со стенкой скважины своей боковой поверхностью под действием силы ΔF. В этом случае целесообразно корпус 1 коронки над матрицей выполнить равных поперечных размеров для исключения фрезерования стенки скважины боковым вооружением матрицы коронки, а точки соприкосновения корпуса 1 со стенкой скважины защитить от излишнего изнашивания износостойким материалом, например типа ВК или PDC.
Таким образом, заявляемая в качестве полезной модели алмазная буровая коронка будет при бурении обеспечивать вид вращения, который исключает ориентированный перекос и искривление скважины.
Величина усилия ΔF для определенной модели алмазной коронки будет зависеть от ширины промывочных пазов 6 таким образом, что по мере увеличения их ширины B (фиг. 2) данное усилие будет увеличиваться. В этом случае будет расти и способность коронки к нейтрализации дестабилизирующих работу коронки в анизотропных породах сил и моментов сил, вызванных неравномерным разрушением горной породы.
б
м
б
м
При работе коронки на забое, сектора 4 будут испытывать более высокие удельные нагрузки под влиянием осевого усилия. Именно поэтому сектора 4 предлагается изготавливать более твердыми, чем сектора 3 матрицы коронки. При этом твердость секторов 4 должна быть выше твердости секторов 3 в F/F раза, где F - площадь алмазосодержащих секторов 3 на половине торца коронки с узкими промывочными пазами 5, а F - площадь алмазосодержащих секторов 4 на половине торца коронки с широкими промывочными пазами 6.
Реализация предлагаемой коронки в промышленности позволит повысить эффективность бурения геологоразведочных скважин в твердой анизотропной горной породе.