Алмазная буровая коронка

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. Цель изобретения - повышение эффективности работы коронки за счет исключения самозаклинок керна. Буровая коронка1 включает корпус 1 с присоединительной резьбой 2 и радиальным отверстием 5, выполненным между резьбой 2 и матрицей 3, расположенной эксцентрично относительно корпуса 1. Радиальное отверстие 5 выполнено в корпусе 1 со стороны, противоположной смещению матрицы 3, и направлено по касательной в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и по восходящей относительно матрицы 3 траектории. В процессе бурения на кусочки породы, отделившиеся от керна, действует центробежная сила, величина которой максимальна в направлении, противоположном смещению матрицы 3, где и скапливаются разрушенные кусочки керна.Благос даря выполнению именно в этой зоне радиального отверстия 5 обеспечивается эффективное их удаление в затрубное пространство. Это исключает самозаклинивание керна при бурении по трем S (Л щиноватым породам. зап„ ф-лы, 5 ило J О о со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51)5 E 21 В 10/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ CHHT СССР (21) 4741879/03 (22) 14.07.89

; (46) 23.12.91. Бюл. Ф 47

1 (71) Иркутский политехнический институт (72) А.В. Карпиков, В.В. Нескоромных,:

Н.А. Буглов, P.Ê. Богданов, В.Ф. Фадеев, Г.A. Воробьев и Б.А. Новожилов (53} 622.24.051.72(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

h» 1051216, кл. Е 21 В 25/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Р 1317095, кл. E 21 В 25/00, 1985. (54) АЛИАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА (57) Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. Цель изобретения — повышение эффективности работы коронки за счет исключения самозаклинок керна. Буровая коронка включает корпус 1 с присоединительной

2 резьбой 2 и радиальным отверстием 5, выполненным между резьбой 2 и матрицей 3, расположенной эксцентрично относительно корпуса 1 ° Радиальное отверстие 5 выполнено в корпусе 1 со стороны, противоположной смещению матрицы 3, и направлено по касательной в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и по восходящей относительно матрицы 3 траектории. В процессе бурения на кусочки породы, отделившиеся от керна, действует центробежная сила, величина которой максимальна в направлении, противоположном смещению матрицы 3, где и скапливаются разрушенные кусочки керна. Благодаря выполнению именно в этой зоне радиального отверстия 5 обеспечивается эффективное их удаление в затрубное пространство. Это исключает само- заклинивание керна при бурении по трещиноватым породам. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1700190

Изобретение относится к технике и технологии буровых работ, а конкретно к технологии бурения алмазным породоразрушающим инструментом твердых, крепких трещинонатых и раздробленных горных пород.

Цеобходимость совершенствования алмазных коронок связана, в частности с тем, что повьппенный износ коронок, снижение рейсовой проходки и в целом снижение эффективности бурения связа.ны с процессом самозаклинивания керна при бурении.

Самозаклинивание керна приводит кроме повып1енного износа коронок к истиранию керна, что отрицательно сказывается нл результатах опробования месторождений, снижает качество геологоразведочных работ и поэтому связано с серьезными экономическими издержками.

Известна коронка из состава специального колонкового набора, предназначенного для снижения самозаклини()ания керна,. Внутри колонковой трубы и кор()нки выполнены совмещенные пазы с увеличивающимся сечением в направлении движения промывочной жидкости, Наличие пазов не позволяет частицам породы, отделившимся от керна, скапливлтт ся н коронке иад млтрицей и предохраняет керн и коронку от самозаклинивания.

Оп)!ако н данной коронке кусочки керна выносятся под ее торец,что требует его дальнейп)его разрушения и ведет кроме уменьшения механической скорости бурения к повьнпениому износу матрицы коронки, Hpдостатком коронки является сложность изготовления колонкового снаояда с совмещенными пазами, так как коронка должна применяться со специальной 1<0 JIolii(oIIolt труt)olt и должно собл)одаться соответствую!цее совпадение пазов коронки и колонковой трубы„.

И .111(Гтl!(1 коро11ка с )TB(l )стиями и

Подн1!(1(!.10) !(!" л! о!1 9 Б ь.)))оча)о!!(ая в ебя цил1!1!)!Ри )еский корпус с резьбой, кольцеву!о;)лмазосодержащую «HITptllty и три

Отнер(Ti!H л кор!Iусе Б))!1()л11е1(ные че рез 120 ме;кду «til t р)и)(й и резьбой, л также Ilr),",!11:.)1,1!у)о втулку 1(в !утре)!1!ей пол((. l li ке:()11 Jr;1 к()1)(i l 11, к() ) nP;I Jl «io же т I Г ip т) l! е (к(. 1! 1;r о Г ((. .i) с Пй )!и 1 Iе т

Ром, !)а))!11:1:,.:1;-::.",! . ") ".,"P;.Tèé i) кеР—

It (С(: . ленных горных пород.

Цель достигается удалением кусоч35 кон породь!. приводящих к заклиниванию коронки при бурении, при попадании между корпусом коронки и керном, через отверстие в корпусе коронки.

Для повышения надежности удаления

4(1 кусочкон породы из корпуса коронки центр кольца матрицы смещают относительно центра корпуса коронки на расстояние е, определяемое из соотношеHrtII

" - с1м о - . е « 2 где (.); — внутрен)!Пй диаметр корпуса коронки, м;;

d — внутренний диаметр матрицы коронки, м„

В корпусе коронки выполнено отверстие со сторо)!11, противоположной смещен!По «1лтрипы причем вне!Пняя по от !

)ошению к корпусу с"-евка отверстия

11EIIloJIEtc . Ио касательной к внутренней пил)!Идрической Поверхности корпуса !Гз точки, максимально удаленной от ц(Итра матрицы, л внутренняя по

1(оро!!ка работает с)!еду)о!)п!м образом,.

При попадании кусочкон поропы между кериом и втулкой пос.(!е))1!яя начинает

5 вращаться. 1 усочки г!ороды при этом удаляются н затрубное пространство через периодически открывающиеся отверстия н корпусе коронки при cotIMp щении этих отверстий с отверстиями подвижной втулки.

Однако при бурении происходит попадание мелких кусочков породы не только между втулкой и керном, но и между втулкой и короночным кольцом, что приводит к деформации кольца, его заклиниванию. Таким образом, поднижная втулка уже не выполняет поставленной перед ней цели и коронка работает как обы!ная без подвижной втулки и отверстий, т„е. происходит заклинивание керь!а.

Цедостатком известной коронки является низкая надежвость при работе как средства борьбы с самозаклинина25 нием керна, что приводит к снижению ресурса коронки и рейсовой проходки.

Цель изобретения — поньппение ресурса коронки и рейсовой проходки за счет повьппения надежности удаления кусочкон породы, приводящих к самозаклиниванию коронки, за пределы ее корпуса при бурении трещиноватых и раздроб1700 190 отношению к поверхности корпуса стенка выполнена криволинейной с радиусом кривизны равным

R=R-2e о К

У с центром кривизны на линии смещения матрицы коронки где R — наружньп раК диус корпуса коронки, м. I0

При этом отверстие направлено вправо от направления смещения матрицы относительно корпуса коронки.

Криволинейный участок отверстия направлен по восходящей относительно I5 матрицы траектории, причем угол подъема траектории М определяется иэ соотношения:

do о ((X (arctg где а — расстояние от матрицы коронки до резьбы на корпусе коронMj

S — толщина стенки коронки, м;

d о — диаметр отверстия в корпусе коронки, м.

В предлагаемой коронке возможно скопление кусочков породы в заданной зоне корпуса коронки под действием 30 повышенной центробежной силы, имеющей определенное относительно корпуса коронки направление, и удаление скапливающихся кусочков породы эа пределы корпуса в затрубное пространство, что повышает надежность удаления кусочков породы, приводящих к самозаклиниванию коронки, т.е. снижает вероятность самозаклинивания коронки при бурении трещиноватых и раздробленных 40 пород. Кроме того, в предлагаемой коронке достигается снижение истирания керна, что повьппает качество буровых работ.

На фиг. 1 показана предлагаемая 45 коронка, поперечное сечение; на фиг.2 и 3 — соответственно сечения А-А и

Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 — сечение

В-В на фиг.3; на фиг.5 — сечение Г-Г на фиг. 3. . 0

Коронка состоит из цилиндрического корпуса 1 с резьбой 2, кольцевой алмазосодержащей матрицы 3 и отверстия

4, выполненного в корпусе 1 между матрицей 3 и резьбой 2 и имеющего криво-- 5 линейный участок 5 по корпусу 1, который выполнен по восходящей траектории, начиная от отверстия 4 до точки максиMRJIbHoI" выступа матрицы 3 эа пределы корпуса 1, Кольцевая матрица 3 гмещена своим центром относительно центра корпуса 1 на расстгяние е, определяемое иэ соотношения 1 к "м о(е

2 где д „ — внутренний диаметр корпу— са 1;

d — внутренний диаметр матрицы 3.

Смещение матрицы 3 коронки относительно корпуса 1 коронки приводит к повышению величины центробежной силы, действующей на каждый отдельньп кусочек породы, находящийся в зазоре между керном и корпусом 1 коронки. Центробежная сила повышается по мере повышения величины е.

Кроме того, центробежная сила при смещении матрицы 3 коронки на расстояние е имеет определенное направление относительно корпуса 1 коронки (направлена в сторону, противоположную смещению матрицы 3), что заставляет кусочки породы скапливаться в одной, заранее известной зоне корпуса 1 коронки (в направлении действия центробежной силы).

Центробежная сила F направлена в сторону, противоположную смещению матрицы 3 (центр матрицы 3 — центр вращения коронки) и приводит к скапливанию кусочков породы в области, максимально удаленной от центра матрицы 3 коронки.

Таким образом, добиваются концентрации кусочков породы в заданной зоне корпуса 1 коронки.

Диапазон величины е выбран исходя иэ следующих соображений. Величина е должна быть больше нуля для того, чтобы Г„, действующая на кусочки породы, имела определенное направление относительно корпуса 1, и чем больше зта величина, тем больше F что благоприятно сказывается на скоплении кусочков породы в заданной зоне. Но величина е не может быть больше полуразности диаметров (d — dM) из-sa вписываемости коронки в скважину и обеспечения нормальных условий бурения.

В месте скопления кусочков породы (точка, максимально удаленная от центра вращения коронки) выполняется отверстие 4 для удаления кусочков породы в затрубное пространство. Исходя иэ !

1 О!1 (1 у< JIO1311f < ff (III()<)9(Р б ПЛГOzlpt<»Tiff IX Для удллс ни» кусочков пор()ды обоснованл

Форма и p:-л ltl(ры от!3Р()(.тия 4 „Отверстие 4 1Н.!Полняется р илметром не менее с1к- с1М вели !1!Иы (1„>.

+ е, т<.е. не менее млксимлльного зазора 3!ежду 1сер ном и корпусом 1 коронки,. Величина с1 согласно исспепованиям может быть

1)авнл соответственно ), 5 и 6 мм„ что с)босновяно экспериментами, В этом слуIIae отверстие 4 позволяет удалять одновременно через него 2-3 кусочки поснижл»т вероятность el"o заку- 15 поривяния.

Отверстие дилметром dp засверливяется по касательной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1

Оронки таким Образом> чтО РГО вхОД находится в точке, максимально уда ленной от центра матрица 3, именно той точки, в которой центробежная сила, пе1!ствующяя нл кусочки породы, млксимяльнл„ HxoII отверстия 4 по кя- 25 сятельной выполнен исходя из того, ЧТО КУС ОЧКИ ПОРО< !1<1, СКОЛЬЗЯ ПО В Н)JT— ренней поверхности корпуса 1 коронки, при ее вращении будут стремиться выйти из корпуса имРн11о по тряс .F(Top!I!I 3Q клслтельной к линии их врапсения, ВllyTpeffff»FI стенка отверстия 4 (по отношению к корпусу 1 коронки) выполl! я(T(. II крив о3ПИ1()й но!1 рядну oM

) =- Р. — 2» . с) ) гдР. Е . — Наружный! р!3диус !сорпуса 1

КОРО!!!(11, М,.

1;ривс)(п!!!е!!!Зля lfoIIppxFIAc TE от13ерстия с рлдиусом 1,„ <)беспечивает удале-. ние самых круп)п)х ку-с<)-псов породы (близких Ito р(1зл!еру (l ? 13 затрубное прострлнст1<о с соп мер!)мк(м с рлзмеряМИ Кg<СО

11оскohlf ку коро!(кс! !!р!! бурен!!и вращается »3!(.!3Л н;fff1>;i!3«от1<срстие 4

НЛ ПРЛ f3

11 3 ко )!! <:л 1 к()! (3»!к f 13 злтj)<, f il(

f «л;<,- !<1

< tl;)тj

Лст) Л . т:3(P !П« -: По:>«(.,:.Л::. ll ТРЛС K TO!)!!!i ЧТО С 01 11ЯСУ "-. T С Я (ff;f II 1)(3 f< I <(.

НИ t l ВОСХОДЯ!ЦЕ ГО ПОТОК Л Itj<()t f1 Ill <)

ff К -S+2 — расстояние от матрицы 3 до резьбы 2 на корпусе 1 коронКИ, M толщина стен!си Koz)ïóñà 1 коГДР Л. ронки, м; — диаметр отверстия 4 в корпуCP 1 KOpOFIKH) M

Угол С ) принят исходя из максимального возможного угла подъема траектории криволинейного участка 5, который ограничен высотой корпуса 1 коронки ((риг. 5) в случае выполнения отверстия в самом нижнем положении корпуса (непосредственно над мятрицей 3).

Меньшие значения угла 1!(, связаны с выполнением отверстия в других более высоких точках на корпусе, но не выше точки начала резьбы на корпусе.

Угол подъема траектории криволинейного участка 5 отверстия 4 выбран из соотпо! ения, учитывающего размеры корпуса 1 коронки: а-(1О

O(g (aI (1tg л .

2 где л — расстояние от матрицы 3 коронки до резьбы 2 на корпусе коронки;

S — толщина стенки корпуса 1 коРОН1СИ; (1 — для!!етр отверстия 4 в корпусе

1 коронки„

Предлагаемая коронка работает следующим образом. В пропессе бурения и кернообразования кусочки породы, отделенные от керна, оказываются в зазоре между керном и корпусом 1 коронки.

При этом FIB кусочки породы оказывает действие центробежная сила 1 1,, которая максимал(ня в направлении, противополож!(ом смещению матр;лцы 3.

Б1,!р(!я(ение для Г(,, центробежной с!цп,f);1»lfcòâóþùeé на кусочек породы, С<ПР»:1С г!!1» ТСЯ ФОРМ < ЛО!

)I(IIJIKnC ТИ КOТОРe!1! ПРИ 13РЛ1!!РН ИИ К <

3лкру <1Н!3 л Р тс51 Вок руГ буров о Го сн л ряда, поднимаясь вверх по злтрубному пространству между колонной и стс.нкями с

1 .= — l(d <т,Я ТТТ

1 2

Т(() где d

Ь,тт,тт(тттетр кусочка Ттороды. м:

5 плотностей породы и промывочной жидкости) Н/м ) угловая скорость вращения ко— Т ронки с 0 расстояние от центря кусочка породы до оси вращеттия коронки (центр матрицы 3 коронки), 1 <111, 1<11;<(! 1< 1111 <1 ;11" (7 r" 1 I < f 11111;< I;I, <

P(

1<СХОДHI lr ТТЛ11111 IP. 1(ЛЯ РЯ()IPT;1 ТТТТ<1<Т !Води тслт..ности 11 j)llf< p, тены в т 1 Р <" 1«- : (!Тормуляизобрет-.ни я

1. Алмазная буровая коронка, включающая кольттевутс< алмаз ст содержятцую мят— м.

Для коронки со смещенной матрицей

3 относительно корпуса 1 на расстояние е величина Гтт,в направлении, противоположном смещению матрицы, будет равна

Г = — ТТ сР j(M (ш+е) .

1 й

Величина Гь(повьштаетсЯ за счет смещения матрицы 3 относительно корпуса 1 коронки на расстояние е и при этом будет иметь постоянное относительно корпуса 1 коронки направление.

В направлении смещения матрицы 3 центробежная сила равна

30 л- 2

Г = — f(сР т(Д (тп-Р) .

I

Таким образом, Гт(, ) Гтт,) что будет приводить к скапливанию кусочков породы 6 в направлении действия силы

ГТ,) т.е. в зазоре, как можно ближе к точке, максимально удаленной от центра матрицы 3. В результате добиваются концентрации кусочков породы 6 в заданной зоне корпуса 1 коронки. В месте концентрации кусочков породы 6 выполнено отверстие 4 диаметром d через которое кусочки породы 6 удаляются за пределы корпуса 1, а по кри— волинейному участку 5 отверстия 4 уда- ляются в точку зазора между корпусом

1 и стенкой скважины 8) в которой ширина зазора максимальна и равна

d)j = d . Таким образом, при бурении происходит постоянный отток кусочков

)О породы 6 из корпуса 1 коронки, что не приводит к скапливанию кусочков породы 6 над матрицей 3 коронки и к самозаклиниванию керна 7 при бурении.

Предлагаемая коронка предназначена

>5 для бурения в твердых горных породах

iX-Х категории по буримости, корпус коронки смещен на величину е = 1 мм и в корпусе выполнено отверстие для рицу и цилиндрический корпус с присоединительной резт бой и рятптяльттьтт< отверстием, выполненным между матр ;— цей и резьбой, о т л и ч à ю щ я я с я тем) что, с целью повыптуния эффективности ее работь< зя счет исключения самозаклинок керна, матрица расположена эксцентрично относительно корпуса, радиальное отверстие в корпусе выполнено со стороны, противоположной смещению матрицы, и направлено в сторс- у, противоположную направлению вращет;,я коронки, 2. Коронка по и, 1, о т л и ч я ю щ а я с я тем) что.наружная стенка радиального паза выполнена по касательной корпуса из точки, максимально удаленно

Гтс и г — соответственно наРУжный и внутренний радиусы корпуса коронки., 3. Коронка по п. 1, о т л и ч я ю щ а я с я тем, что эксцентриситет Я матрицы относительно корпуса выбран равным

Я,(г„— rl ) где гтрк — внутренний радиус матрицы„

4, Коронка по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что внутренняя стенка радиального отверстия напраглена по восходящей Относительно матрицы траектории, причем угол подъема траектории С)с, определяется по формуле

d(I

О с М(arrtg — с1 а

11R — S + —— к 2 где а расстояния от матрицы коронки до резьбы ня корпусе ксронки;

1700190 — диаметр отверстия в корпусе коронки.

8 — толкпьпа стенки корпуса коронки ронку, м

2,3

7,72

3,0

9,8

29 мая

Сравниваемые типы коронок

Известная

ПредлагаеМеханическая скорость, м/ч

Производительность, м/ст смену

Проходка на 1 коСтоимость метра бурения, руб

1 / 0 33 I 3i)

Составитель A. Карпиков

Редактор В. Бугренкова Техред Л.Олийнык Корректор A„ Обручар

Заказ 4450 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101