Алмазная коронка для бурения

Полезная модель относится к области бурения твердых горных пород с отбором керна. Необходимость данного технического решения определяется тем, что при бурении, по техническим, технологическим и геологическим причинам наблюдается искривление скважин, что снижает эффективность буровых работ. В связи с этим важно иметь такой буровой инструмент, который бы позволил решать задачу снижения интенсивности искривления скважин в различных, в том числе сложных горно-геологических условиях.
Для снижения интенсивности искривления скважин при бурении в твердых горных породах известна алмазная коронка принятая за аналог (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 пазы двух типов - узкий и широкий, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы, а также различную насыщенность алмазами секторов матрицы. У коронки-прототипа на одной из половин торца матрицы коронки выполнены два широких промывочных паза, между которыми по разную от широких промывочных каналов сторону имеется не равное количество алмазосодержащих секторов. Узкие промывочные пазы разделяют сектора матрицы коронки по обе стороны от широких промывочных пазов.
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.
Недостатком аналога является наличие широких промывочных пазов, наличие которых приводит к тому, что гидравлические сопротивления в торце коронки начинают распределяться неравномерно, большая часть промывочной жидкости проходит через широкие промывочные пазы за счет меньшего гидравлического сопротивления, узкие промывочные пазы при этом пропускают через себя меньшее количество промывочной жидкости, что приводит к ухудшению условий выноса шлама, недостаточной степени охлаждения алмазосодержащих секторов и преждевременному их износу.
За прототип принята алмазная коронка (патент на полезную модель №171734, Е21В 10/02, опубликовано 13.06.17 г.), которая содержит корпус с резьбой, промывочные каналы одинаковой площади поперечного сечения, и алмазосодержащие сектора равных геометрических форм в матрице. Алмазосодержащая матрица содержит сектора 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 прототипа является то, что при таком расположении измененных секторов расстояние между промывочными каналами мало, что влияет на коэффициент истечения жидкости из этих каналов. В промывочных каналах, прилегающих к неизмененным алмазосодержащим секторам скорость и объем проходящей через них промывочной жидкости будет ниже, что приводит к недостаточно эффективному выносу шлама, перегреву алмазной коронки, снижению ее ресурса.
Задачей данной полезной модели является снижение интенсивности естественного искривления скважин в процессе бурения с одновременным обеспечением высокого ресурса бурового инструмента.
Достигается это тем, что алмазная коронка для бурения, содержащая корпус с резьбой, матрицу с измененными и неизменными алмазосодержащими секторами, промывочные каналы, опорно-центрирующий пояс, отличающаяся тем, что измененные алмазосодержащие секторы расположены таким образом, что их крайние точки расположены друг относительно друга по диагонали и контактируют с внутренней кернообразующей и внешней скважинообразующей частью корпуса коронки с образованием промывочных каналов между измененными алмазосодержащими секторами, коэффициент истечения жидкости из которых равен коэффициенту истечения жидкости из промывочных каналов, расположенных между неизмененными алмазосодержащими секторами, и определяется согласно выражению:
где μ - коэффициент истечения жидкости; L - длина канала, м;
d - площадь канала, м.
Наличие в конструкции предлагаемой алмазной коронки измененных алмазосодержащий секторов приводит при бурении к возникновению эксцентриситета режущей части торца матрицы, что способствует снижению кривизны ствола скважины, а также к возникновению новых промывочных каналов, управляя поперечными размерами которых мы добиваемся равенства их коэффициента истечения с коэффициентом истечения из первоначальных промывочных каналов, таким образом, достигается равенство давлений и объемов проходящего через промывочные каналы очистного агента, что препятствует преждевременному износу инструмента и способствует повышению срока службы алмазной коронки.
Т.к. промывочные каналы 6 имеют меньшую длину по сравнению с длиной первоначального промывочного канала 5, коэффициент истечения жидкости через них будет больше, что приводит к большему расходу через них промывочной жидкости в процессе бурения и одновременно к уменьшению проходимой жидкости через первоначальные промывочные каналы. При уменьшенном расходе жидкости через первоначальные промывочные каналы в них ухудшаются условия очистки от шлама, наблюдается рост температуры, что приводит к их повышенному износу, поэтому необходимо равнозначное значение коэффициента истечения жидкости из промывочных каналов.
Данное техническое решение иллюстрируется графически на фиг. 1 и фиг 2.
Фиг. 1 - общий вид алмазной коронки для бурения.
Фиг. 2 торцевая часть алмазной коронки для бурения.
Предлагаемая алмазная коронка для бурения содержит корпус с резьбой 1, матрицу с алмазосодержащими секторами 2, измененные алмазосодержащие секторы 3, неизмененные алмазосодержащие секторы 4, первоначальные промывочные каналы 5, новые промывочные каналы 6 и опорно-центрирующий пояс 7.
Размещение измененных алмазосодержащих секторов происходит таким образом, что с внутренней кернообразующей частью и внешней скважинообразующей частью контактируют только две крайние точки алмазосодержащей матрицы, при этом крайние точки расположены друг относительно друга по диагонали.
Предлагаемая коронка работает следующим образом.
При сооружении скважины, когда корпус с резьбой 1 алмазной коронки для бурения воспринимает действие осевого усилия, алмазы матрицы с алмазосодержащими секторами 2 включающие измененные алмазосодержащие секторы 3 и неизмененные алмазосодержащие секторы 4 внедряются в горную породу. Наличие в матрице с алмазосодержащими секторами 2 измененных алмазосодержащих секторов 3 приводит к появлению эксцентриситета режущей части торца алмазосодержащей матрицы 2, что придает алмазной коронке вращение вокруг оси скважины и, таким образом, исключается режим вращения с ориентированным перекосом коронки, при котором может происходить максимальное искривление ствола скважины. Одновременно с этим в процессе бурения происходит очистка забоя скважины буровым раствором через промывочные каналы 5 и промывочные каналы 6. Т.к. промывочные каналы 6 имеют меньшую длину, они выполнены таких поперечных размеров, чтобы коэффициент истечения бурового раствора через них был равен коэффициенту истечения бурового раствора через промывочные каналы 5. Благодаря этому достигается равенство гидравлических сопротивлений, равенство распределения скорости и давления в торце алмазной коронки. Опорно-центрирующий пояс 7 в процессе бурения предотвращает боковую поверхность матрицы с алмазосодержащими секторами 2 от преждевременного износа.
При бурении предлагаемой алмазной коронкой в результате резания-скалывания породы возникает сила, как дисбаланс сил резания-скалывания.
В результате предлагаемая алмазная коронка для бурения способна снижать интенсивность естественного искривления скважин в различных условиях бурения с одновременным сохранением высокого ресурса алмазной коронки за счет корректировки геометрических поперечных размеров промывочных каналов, что дает возможность добиваться одинаковых коэффициентов истечения жидкости из всех промывочных каналов алмазной коронки. В результате равенства коэффициентов истечения промывочной жидкости возникает равенство гидравлических сопротивлений, промывочная жидкость расходуется равномерно через все промывочные каналы, что приводит к стабильному охлаждению алмазной коронки, своевременному и непрерывному выносу шлама из-под ее торца, что обеспечивает высокие показатели ресурса инструмента с одновременным эффектом стабилизации направления ствола скважины. Данная конструкция алмазной коронки может быть рекомендована для бурения геологоразведочных скважин в самых сложных горно-геологических и технико-технологических условиях.