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 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. Боковая поверхность матрицы с наружной и внутренней стороны защищены от изнашивания пластинами из твердого и сверхтвердого материала.
Недостатком данного аналога является его низкая эффективность как средства, снижающего искривление скважин.
За прототип принята алмазная коронка (патент на полезную модель №161061, E21B 10/48, опубликовано 10.04.2016 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, при этом в широких промывочных каналах установлены перегородки, перекрывающие каналы, а в перегородках выполнены отверстия у каждого крайнего алмазосодержащего сектора по обе стороны широкого промывочного канала. Таким образом, всего выполнено четыре отверстия в перегородках, при этом  площадь каждого отверстия равна площади узкого промывочного канала. Перегородки, перекрывающие широкие промывочные каналы, выполнены тонкими и легко изнашиваемыми. Достигается эффективная циркуляция бурового раствора через каналы и отверстия в матрице коронки и равномерное охлаждение алмазосодержащих секторов.
Недостатком прототипа является дополнительные элементы в корпусе коронки, которые могут выпадать и усложняют изготовление коронки.
Предлагаемая алмазная коронка содержит корпус с резьбой, промывочные каналы одинаковой площади поперечного сечения и матрицу с алмазосодержащими секторами трех геометрической форм в виде сигментов кольца - стандартной, большой и малой, при этом большие и малые алмазосодержащие сектора расположены поочередно в торце матрицы, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы.
Алмазосодержащая матрица содержит сектора трех геометрических форм в виде сегментов кольца – неизмененных и измененных первого и второго типа. 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.
Наличие алмазосодержащих секторов 3-х геометрических форм в виде сегментов кольца позволяют затратить меньше материалов на изготовление коронки, а также увеличивают ресурс породоразрушающего инструмента, поскольку матрица изготавливается из одинакового материала.
На фиг. 1 показана заявляемая в качестве полезной модели алмазная коронка для бурения.
На фиг. 2 показана торцевая часть заявляемой алмазной коронки для бурения.
Предлагаемая коронка состоит из корпуса 1 с резьбой 2, элементов опорно-центрирующего пояса 3, промывочных каналов одинакового поперечного сечения 4 и алмазосодержащих секторов матрицы разной геометрической формы неизмененных 5, измененных второго типа 6 и первого типа 7. Алмазосодержащие сектора 5, 6 и 7 выполнены из одного материала.
Предлагаемая коронка работает следующим образом. При бурении, когда алмазная коронка воспринимает действие осевого усилия, алмазы секторов матрицы 5, 6 и 7 внедряются в горную породу. За счет разных геометрических форм секторов обеспечивается вращение коронки вокруг оси скважины и, таким образом, 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).
б
м
б
м
б
м
При работе коронки на забое сектора 6 и 7 будут испытывать более высокие удельные нагрузки под влиянием осевого усилия. Именно поэтому сектора 6 и 7 предлагается изготавливать более твердыми, чем сектора 5 матрицы коронки. Твердость матрицы половины торца коронки с измененными секторами, определяется по коэффициенту, рассчитываемому по формуле: K=F/F. При этом твердость секторов на половине торца с измененными алмазосодержащими секторами должна быть выше твердости половины торца матрицы с неизмененными секторами в F/F раза, где F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки без измененного сегмента, a F - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с измененным сегментом.
Буровой раствор, который проходя через промывочные каналы 4, обеспечивает равномерное охлаждение алмазосодержащих секторов 5, 6 и 7 матрицы коронки. В результате достигается как снижение интенсивности естественного искривления скважины при бурении скважины в анизотропной горной породе, так и высокий ресурс буровой коронки.
Опытная коронка в соответствии с заявкой на полезную модель прошла промышленные испытания, которые показали, что применение конструкции коронки с секторами 3-х геометрических форм позволяет снизить искривление без нарушения равенства гидравлических сопротивлений на выходе бурового раствора из коронки, без применения дополнительных элементов. А также сохранить ресурс коронки, равным ресурсу стандартной коронки.