ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ТЕРМОФРИКЦИОННОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
TOOL FOR THERMOCLUTCH DRILLING OF ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения с отбором и без отбора керна в породах до XI категории по буримости.
Известна одинарная буровая коронка, состоящая из корпуса и припаянных к торцу корпуса фрикционных и породоразрушающих элементов [1]. Достоинство этой коронки заключается в простоте изготовления и эксплуатации и в минимальной ширине торца коронки при требуемом диаметре выбуриваемого керна. Но основное достоинство этой коронки состоит в том, что фрикционные элементы теплом трения разупрочняют поверхностный слой породы, и резцы срезают этот разупрочненный слой. Существенным недостатком этой коронки является значительная потеря тепловой энергии через корпус коронки, тепло с которого уносится большим количеством промывочной жидкости.
1
-2
-1
1
-2
-1
2
2
Известен также термомеханический инструмент, который включает корпус с теплоизолированной частью и рабочие элементы, закрепленные на торце корпуса инструмента [2]. Особенностью этого инструмента является то, что его корпус состоит из двух частей: основной из материала с коэффициентом теплоусвояемости более 0,3 кал/сек / см градус и теплоизолирующей - не более 0,1 кал/сек / см градус, причем теплоизолирующая часть прилегает к теплогенерирующим рабочим элементам коронки. Достоинством этого инструмента является возможность теплоизоляции зоны нагрева забоя при бурении одинарной коронкой, тем самым меньше теряется тепловой энергии и ее большая часть идет в породу, разупрочняя ее. Существенным недостатком этого инструмента является то, что теплоизолятор в этой коронке одновременно выполняет две несовместимые функции: передает на рабочие элементы механические нагрузки и служит теплоизолятором. Однако на сегодня нет материалов, обладающих одновременно хорошими теплоизоляционными и механическими свойствами. И это тем более невыполнимо, так как при нештатных случаях, когда заклинит инструмент в скважине, момент кручения может возрасти во много раз. Поэтому к прочности корпуса коронки предъявляются высокие требования. Кроме того, теплоизолятор должен хорошо привариваться или припаиваться к корпусу инструмента. Другие способы соединения (механические, клеевые) не обеспечат надежное сочетание различных частей корпуса в единое целое. С другой стороны, хорошие теплоизоляторы обычно содержат много газовых включений, пор и не обладают прочностью сталей. В связи с этим известные на сегодня хорошие теплоизоляторы как часть корпуса коронки не могут быть применены, как говорится, по определению. Поэтому, если выбирать в качестве теплоизолятора материалы, близкие по прочности к прочности корпуса коронки и имеющие хорошие свойства соединения сваркой или пайкой со сталью, то эффект уменьшения теплопотерь сведется к минимуму.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является термомеханическая коронка, состоящая из корпуса с теплозащитной частью и рабочих элементов, трением разупрочняющих горную породу [3]. Особенностью этой коронки является изготовление в теплозащитной части корпуса коронки загерметизированной вакуумированной полости или с газом, при этом стенки полости служат опорными элементами теплозащитной части коронки, передающими механические нагрузки рабочим элементам.
Достоинством этой коронки является простота конструкции и уменьшение утечки тепла от зоны генерации тепловой энергии, которое достигается эффективной теплоизоляцией части сечения корпуса коронки. Однако опорная часть сечения корпуса служит хорошим теплоотводом и одновременно передает большой момент кручения и осевое усилие рабочим элементам коронки. Поэтому оно принимается не менее сечения корпуса одинарной коронки, чтобы сохранять работоспособность при крутильных ударных нагрузках, возникающих при срыве керна и заклинивании коронки в скважине. При этом возможна неодновременная работа наружной и внутренней стенок полости при срыве керна заклинкой или при посадке бурового снаряда на неровный забой. Все это требует принимать стенки полости большего сечения, чем они работали бы одновременно. Поэтому эффект от теплоизоляции снижается из-за неодновременной работы стенок полости, вызывающей увеличение сечения опорной части, т.е. отток тепла от зоны нагрева породы через это сечение.
Существенным недостатком этой коронки является то, что большое количество теплоты уносится промывочной жидкостью, омывающей горячие стенки полости, как по внутреннему, так и по внешнему диаметру коронки. К существенным недостаткам этой коронки можно отнести также и то, что эффект от теплозащитного экрана снижается с уменьшением ширины корпуса коронки, так как при этом доля теплоизолированной части сечения коронки уменьшается вплоть до того, что нельзя будет выполнить в корпусе коронки полость без потери механической прочности. Так при ширине корпуса у одинарной серийной коронки 6 мм выполнение значимо теплоизолирующей полости внутри него невозможно из-за уменьшения рабочего сечения корпуса, что неизбежно приведет к механическим деформациям и разрушению инструмента.
Кроме того у прототипа, если полость заполнена газом, эффект теплозащиты будет снижаться из-за усиления конвективного теплообмена при повышении температуры. При вакуумировании со временем случайные царапины и местные перенапряжения корпуса при дроблении и перетирке мелких обломков керна могут нарушить герметизацию, что приведет к проникновению паровоздушной смеси. Выполнение стенок полости более прочными увеличением ширины стенок полости приводит к увеличению теплопотерь через сечение стенок полости. Все это значительно снижает эффект теплозащиты и надежность работы коронки.
Таким образом, может быть поставлена задача более эффективного снижения потерь тепловой энергии путем теплоизоляции опорных элементов теплозащитной части корпуса коронки и уменьшения сечения теплопроводящей части путем обеспечения одновременной работы сечения опорной части, являющейся одновременно и теплопроводящей.
Поставленная задача решается тем, что в инструменте для термофрикционного бурения горных пород, включающем корпус, содержащий опорные и теплоизолирующие элементы в теплозащитной части, фрикционные элементы, разупрочняющие нагревом приповерхностный слой породы, и резцы, срезающие этот разупрочненный слой, согласно изобретению, опорный элемент выполнен с кольцевой выемкой по наружному и внутреннему диаметру с возможностью размещения в этих выемках гидро- и теплоизолирующих элементов, причем в качестве материала опорного элемента может быть использован материал с высоким пределом прочности, например мартенситно-стареющая сталь, при этом полярный момент сопротивления кручению поперечного сечения опорного элемента определяется из соотношения:
1
1
W=W·τ/τ,
1
3
где W, м - полярный момент сопротивления поперечного сечения кручению основной части корпуса инструмента;
1
τ, МПа - предел прочности на кручение материала основной части
корпуса инструмента, Ст.20;
τ, МПа - предел прочности на кручение материала гидро-теплоизолированной части корпуса инструмента.
Теплоизоляция опорного элемента осуществляется в зависимости от свойств материала теплоизолирующего элемента путем его соединения с опорным элементом спеканием, клеевым или механическим способом.
Для уменьшения оттока тепловой энергии, уносимой с призабойной зоны скважины потоком промывочной жидкости, в основной части корпуса коронки выполнены дополнительные промывочные отверстия. Это позволяет подавать в зону забоя необходимое, но гораздо меньшее количество воды, чем это требуется для транспортировки бурового шлама по затрубному пространству.
В предлагаемом решении значительно уменьшается теплоотток из зоны фрикционного нагрева пород забоя за счет выполнения опорного элемента теплоизолированным от потока промывочной жидкости и меньшего сечения, за счет изготовления цельным и из более прочного материала, чем основной корпус.
На чертеже изображен общий вид инструмента для термофрикционного бурения горных пород в виде буровой коронки для проходки геологоразведочных скважин.
Коронка состоит из корпуса 1, фрикционных элементов 2, резцов 3, кольцевого опорного элемента трубообразной формы 4 и теплоизолирующих элементов 5. Корпус содержит внутренние 6 и внешние промывочные каналы 7 и отверстия 8, расположенные над опорными элементами 4.
Коронка работает следующим образом. При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения резцы 3 внедряются в породу, а фрикционные элементы 2 входят в контакт с породой и начинают разогревать поверхностный слой пород забоя скважины. От фрикционного нагревания поверхностный слой разупрочняется, и резец 3 срезает этот слой, который подхватывает и уносит через канал 7 вместе с теплом забоя промывочная жидкость. Так как для транспортировки продуктов разрушения требуется гораздо больше воды, чем для охлаждения резцов и подъема бурового шлама, то некоторое дополнительное количество воды подается в затрубное пространство через отверстия 8. В условиях, когда теплопроводность породы составляет порядка 2-6 Вт/м·С, материала опорного элемента корпуса коронки 25,5-50 Вт/м·С, а теплоизолятор 5 имеет теплопроводность 0,04-0,23 Вт/м·С, тепловая энергия будет передаваться основной части корпуса только теплопроводностью опорного элемента. Причем теплопроводность опорного элемента может быть значительно ниже, чем теплопроводность материала основной части корпуса коронки. При этом сечение опорного элемента определяется из условия равнопрочности основной части и опорного элемента корпуса коронки, исходя из прочности материала опорного элемента по вышеприведенной формуле.
Надежность теплоизоляции опорного элемента бурового инструмента обеспечивается тем, что в качестве материала теплоизоляторов могут быть применены кремнеземистые, базальтовые и углеродные волокна с применением неорганических связующих. Волокнистые материалы сочетают в себе низкий коэффициент теплопроводности (0,04-0,23 Вт/м·С), высокотемпературные, огнеупорные и изоляционные свойства. Благодаря этим качествам их применяют вместо традиционных материалов для эксплуатации практически любого термооборудования. При теплоизолировании труб в заводских условиях теплоизоляторы имеют достаточную прочность и не повреждаются при погрузочно-разгрузочных работах и при эксплуатации.
Однако при таком решении поставленной задачи необходимо, чтобы сечение опорного элемента было по возможности минимальным и в то же время обеспечивало необходимую прочность и надежность работы коронки. Поэтому сечение опорного элемента в каждом случае определяется отдельно в зависимости от прочности, от конфигурации и расположения сечения опорного элемента относительно оси вращения инструмента.
Работоспособность такого инструмента в одинарных коронках обеспечивается тем, что в качестве материала опоры могут быть применены стали, прочность которых может превышать прочность материала самого корпуса стали Ст.20 в 3-6 раз. К примеру прочность стали Ст.20 равна 430 МПа, а мартенситно-стареющей после термообработки - от 1500 до 3400 МПа. При этом коэффициент теплопроводности у этих сталей в два раза ниже, чем у стали Ст.20 (соответственно 25,5 и 50 Вт/м·С), что также способствует снижению потерь тепла через сечение корпуса коронки.
Предлагаемый инструмент для термофрикционного бурения горных пород имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- значительно снижены потери тепла, благодаря теплоизоляции опорного элемента и уменьшения количества подаваемой на забой жидкости;
- устранены требования к герметичности теплозащитной части корпуса инструмента;
- повышена надежность работы теплозащиты и инструмента в целом;
- по сравнению с прототипом расширена область применения теплоизоляции в породоразрушающих инструментах в сторону одинарных коронок.
Источники информации
1. Пат. 2247217 С2 Российская Федерация, МПК 7 Е21В 10/46, 7/14. Термомеханический породоразрушающий инструмент [Текст] / Бродов Г.С., Ермаков С.А., Федоров Л.Н.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН. - №2003111120/03; заявл. 17.04.2003; опубл. 27.02.2005, Бюл. №6. - 6 с.: ил.
2. А.с. СССР №373414, кл. Е21В 9/16, Е21С 37/16. Термомеханический инструмент для образования скважин и щелей в массиве горной породы [Текст] //Е.Ф.Эпштейн, В.Ф.Сирик, А.А.Кожевников; заявитель и патентообладатель Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени горный институт им. Артема. - №1410554/22-03; заявл. 10.03.1970; опубл. 12.03.1973, Бюл. №14. - 2 с.: ил.
3. А.с. СССР №457796, кл. Е21С 21/00, Е21С 13/00. Инструмент вращательного действия для термомеханического бурения горных пород [Текст] //Е.Ф.Эпштейн, В.Ф.Сирик, А.А.Кожевников, Н.Д.Яценко и Т.Н.Кобелева; заявитель и патентообладатель Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени горный институт им. Артема. - №1926367/22-3; заявл. 28.05.1973; опубл. 25.01.1975, Бюл. №3. - 2 с.: ил.