Универсальная буровая коронка для колонкового бурения

Полезная модель относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам, предназначенным преимущественно для бурения скважин в условиях криолитозоны.
Специфические свойства мерзлых грунтов, связанные с их температурным режимом и криогенным строением, определяют ряд требований к проходке буровых скважин. Основными из этих требований являются:
- сохранение температуры и строения извлекаемых на поверхность образцов грунта;
- устранение возможности существенного (необратимого) нарушения температурного режима грунтов, слагающих стенки скважины.
Как показывает практика выполнения буровых работ на предприятиях Крайнего Севера при использовании бурового оборудования с продувкой сжатым воздухом, условием эффективного разрушения мерзлых горных пород при этом является обеспечение подачи воздуха с отрицательной температурой. Свойства мерзлых грунтов весьма чувствительны к малейшим нарушениям естественного термического режима последних. Поэтому при проходке скважин температура мерзлых грунтов не должна существенно искажаться.
В качестве породоразрушающих инструментов в настоящее время используют серийные твердосплавные коронки типа СМ-5 диаметром 112 мм с наваренными расширителями до внешнего диаметра 132 мм. При этом расход твердосплавных инструментов на фактический объем 400 п.м. по породам средней твердости IV и VII категории буримости составляет 467 шт. при среднем ресурсе породоразрушающего инструмента 0,8 п.м., что не соответствует стандартным нормам для твердосплавных буровых коронок, которые составляют 4 п.м. при бурении с использованием промывочной жидкости. Характер износа серийных коронок типа СМ, СА представлен, в основном, интенсивным затуплением режущих граней твердосплавных резцов. Кроме того, основными причинами преждевременного износа резцов и малого ресурса коронок является низкая температуро- и износостойкость твердосплавных резцов, и их недостаточное охлаждение при бурении с продувкой воздухом.
Известна кольцевая буровая коронка (см. RU №2435927, кл. Е21В 10/48, Е21В 10/60, опубл. 10.12.2011), содержащая корпус с присоединительной резьбой, разделенный промывочными каналами на секторы, которые с торцевой поверхности снабжены твердосплавными пластинами, имеющими отрицательные передние углы в плане к боковым внутренней и внешней поверхностям резания и отрицательные передние углы к торцевой поверхности забоя скважины, причем промывочные каналы выполнены встречно под углом.
Недостатком известной коронки является то, что при использовании невозможно добиться плавной траектории бурения скважин, особенно, если разрез скважины представлен переслаивающимися горными породами с определенным углом залегания, а также низкая стойкость к ударным нагрузкам, что делает коронку непригодной для бурения массива с прослоями из твердых горных пород.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению, принятым авторами за прототип, является стабилизирующая кольцевая буровая коронка (см. RU №2577351, кл. E21B 10/48, Е21В 10/60, опубл. 20.03.2016), а также ребристые коронки типа М, представляющие собой корпус, оснащенный в приторцевой части выступами и наружными ребрами, армированными резцами из твердого сплава (см., например, http://www.drillings.ru/rebristiye). В известных коронках металлические ребра на короночном кольце крепят путем приваривания к наружной поверхности или в пазах торца; армируют эти коронки крупными пластинами твердого сплава, при этом, предназначены для бурения скважин лишь в мягких породах I-IV категорий по буримости. Использование известных коронок в условиях мерзлых твердых пород, пород средней твердости нецелесообразно и малоэффективно по причине недостаточной стойкости приварных ребер и вынужденного проведения буровых работ на очень низких скоростях бурения.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении эффективности буровых работ в условиях криолитозоны.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении производительности работ при проходке скважин в условиях бурения в мерзлых породах за счет увеличения скорости проходки и снижения энергоемкости.
Для решения поставленной задачи буровая коронка для колонкового бурения с продувкой воздухом в условиях криолитозоны, содержащая цельный корпус с присоединительной резьбой и расширением в торцевой части, продувочные пазы, разделяющие торцевую часть на секторы, армированные скважинообразующими и кернообразующими резцами, расположенными вертикально и горизонтально по внутреннему и внешнему радиусам торцевой части, отличается тем, что на каждом из секторов установлены дополнительные наклонные резцы из сверхтвердого материала, расположенные под отрицательным углом относительно направления вращения коронки, а вертикальные и горизонтальные резцы выполнены в восьмигранной форме в сечении, корпус коронки в торцевой части с внутренней стороны выполнен с сужением. Кроме того, дополнительные наклонные резцы выполнены из алмазно-твердосплавных пластин (PDC).
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков заявляемого решения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание условий для эффективного разрушения и удаления породы с забоя. При этом также достигается улучшение условий работы бура в мерзлых грунтах в результате поддержания стабильной температуры на забое скважины.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фигуре 1 схематически показано устройство буровой коронки: на фигуре 1 - общий вид сверху, на фигуре 2- вид сбоку, на фигуре 3 - вид снизу, на фигуре 4 - разрез по линии А-А и на фигуре 5 - общий вид снизу. Позиции в чертежах: 1 - расширенная торцевая часть коронки, 2 - алмазно-твердосплавные пластины (PDC), 3 - твердосплавные резцы из карбида вольфрама и кобальта, 4 - расширенные промывочные (торцевые) окна коронки, 5 - внутреннее сужение коронки для предотвращения выпадания пробы горной породы.
Универсальная буровая коронка состоит из цельной металлической (трубной) заготовки с резцами 3, установленными под отрицательным углом по вращению инструмента. При этом торцевая часть корпуса трубной заготовки выполнена с расширением 1 и расширенными промывочными окнами 4, что позволяет улучшить условия формирования столбика керна за счет эффективной очистки забоя от шлама и снижения аэродинамического сопротивления при бурении сжатым воздухом (см. фиг. 1-4).
Расширенная торцевая часть 1 коронки выполнена для бурения скважин с продувкой сжатым воздухом. При этом используют породоразрушающий инструмент большего для данных условий бурения диаметра, что позволяет уменьшить необходимый расход воздуха и потерю давления в трубах, а значит, увеличить скорость восходящего потока и, как результат, очистка забоя от шлама происходит быстрее.
В заявленной конструкции буровой коронки используются следующие виды породоразрушающих элементов:
- восьмигранные резцы из карбида вольфрама и кобальта (ВК) для бурения грунтов и горных пород мягкой и средней категории буримости;
- резцы из алмазно-твердосплавных пластин (PDC), способные бурить как мягкие породы с высокой механической скоростью, так и твердые породы с удовлетворительной механической скоростью.
р
Резцы PDC 2 установлены на трубной заготовке коронки под отрицательным углом по вращению инструмента (см. фиг. 3-4). При этом угол установки подобран из соотношения усилия резание-скалывания породы резцом с учетом возможности установки резца с поворотом и в направлении резания-скалывания породы ϕ и глубины резания-скалывания породы h (*):
п
п
Передний отрицательный угол γ не должен снижаться до нулевого значения и тем более переходить в область положительных значений, так как это негативно скажется на стойкости резцов, особенно при бурении твердых, трещиноватых горных пород, горных пород с включением более твердых обломков, конгломератов и брекчий, вследствие повышения динамического характера разрушения породы, поскольку величина ударного импульса, воспринимаемого резцом, пропорциональна косинусу переднего угла установки резца (cosγ), а значит, по мере повышения переднего угла вероятность скола резца при ударе о борт трещины или твердое включение в породе снижается.
Наличие горизонтальных твердосплавных резцов на боковой поверхности породоразрушающего инструмента обеспечивает:
- калибровку ствола скважины, что необходимо для предотвращения осложнений при бурении скважин средней глубины в условиях мерзлых пород;
- максимальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины, что обуславливает хорошую очистку забоя скважины от шлама;
- антивибрационную функцию при бурении трещиноватых пород.
-1
Количество резцов в коронке подбирают из соображения рациональной насыщенности инструмента, в одинаковых условиях бурения механическая скорость снижается обратно пропорционально корню из числа резцов (n =405 мин; Р=14 кН):
Число резцов в коронке
3
6
9
12
Механическая скорость, см/мин
7,75
5,9
4,5
3,9
В качестве резцов из сверхтвердого материала предполагается применение карбида вольфрама и кобальта, причем, резцы выполнены в восьмигранной форме в сечении.
Рабочий торец корпуса буровой коронки расчленен увеличенными промывочными окнами для обеспечения свободного выноса частичек выбуренной породы и свободной циркуляции потока сжатого воздуха, а на наружной поверхности корпусов прорезаны шламовые пазы, предназначенные для эффективного удаления шлама в затрубное пространство.
Длина резьбовой части корпуса породороразрушающего инструмента увеличена в целях устранения проблемы преждевременного развинчивания инструмента из колонковой трубы и может составить независимо от ее диаметра, например, 40 мм, что на 10 мм длиннее стандартных отечественных инструментов. Подобное, также, обусловлено предупреждением выпада инструмента при спуско-подьемных операциях вследствие деформации колонковой трубы.
Внутренняя часть корпуса инструмента по торцевой части имеет сужение, в среднем, на 1-2 мм. Этим достигается предотвращение выпадения образцов горной породы из короночного кольца инструмента и удержание керна в колонковой трубе при подъеме бурового снаряда, и обеспечивается эффективный отрыв керна от массива горной породы.
Таким образом, использование заявленного технического решения позволит увеличить прочностные свойства коронки, улучшить эксплуатационные возможности за счет совместного использования высокопрочных резцов ВК и алмазно-твердосплавных пластин, снизить в целом энергоемкость процесса бурения в условиях криолитозоны и обеспечить эффективную проходку скважины и удаление породы с кольцевого забоя, формирования ствола скважины и керна.