Алмазная ступенчатая буровая коронка

Изобретение относится к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами для бурения глубоких скважин. Обеспечивает увеличение механической скорости бурения, стойкости коронки, повышение сохранности керна. Алмазная ступенчатая буровая коронка включает алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой. Дополнительные цилиндрические промывочные каналы, выходящие в торцевые промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы, а диаметр дополнительного цилиндрического канала определяется по установленной зависимости, при этом суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из расчетного соотношения. Кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических каналов выполнены коническими с острым углом при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки. 2 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике и, в частности, к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами, для бурения глубоких скважин, в том числе с применением снарядов со съемными керноприемниками в условиях затрудненного получения кондиционного выхода керна.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с дополнительными цилиндрическими и боковыми и наклонными промывочными каналами, отличающаяся тем, что дополнительные цилиндрические каналы смещены по радиусу к центру пилота (см. Патент США №3026952, 175-330).

Недостатком этой коронки являются:

- нерациональная схема размещения выходов продольных цилиндрических каналов на торце матрицы, в результате чего керн подвергается воздействию боковых потоков промывочной жидкости и разрушается;

- не оптимальный диаметр дополнительного цилиндрического канала, что не обеспечивает формирование гидромониторного эффекта струи;

- выполнение наклонных промывочных каналов с постоянной емкостью;

- наличие острых входных кромок в дополнительных цилиндрических каналах.

Указанные недостатки обуславливают при применении такой коронки низкие механическую скорость бурения и стойкость и уменьшение сохранности керна.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является алмазная ступенчатая буровая коронка, включающая алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой (см. Описание полезной модели «Алмазная ступенчатая коронка». Свидетельство на полезную модель №10767 от 16.08.1999, Рф).

Недостатком этой коронки являются:

- нерациональная схема размещения выходов дополнительных цилиндрических каналов матрицы и неоптимальный диаметр этих цилиндрических каналов, а также не рациональное соотношение площадей поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов и дополнительных цилиндрических промывочных каналов.

Предлагаемое техническое решение направлено:

- на увеличение механической скорости бурения и стойкости коронки за счет рациональной схемы размещения на торце матрицы выходов продольных цилиндрических промывочных каналов и оптимальной конструкции этих каналов, а также наклонных промывочных каналов и повышение сохранности керна путем предотвращения размывающего воздействия на керн боковых потоков промывочной жидкости вследствие выбора рационального соотношения площадей поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов и дополнительных цилиндрических промывочных каналов.

Поставленная задача решается тем, что в алмазной ступенчатой буровой коронке, включающей алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами, выходящими в торцевые промывочные каналы, на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой, суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из соотношения

S=(0,1÷0,3)S_n,

где S - суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки;

S_n - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов;

при этом дополнительные цилиндрические промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы, а диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала определяется по зависимости

$$d=2\sqrt{\frac{Q}{\pi \epsilon nV}},$$

где d -диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;

Q - расход промывочной жидкости;

V - скорость истечения промывочной жидкости;

ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);

n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке,

кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки.

Благодаря тому, что суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из соотношения

$$\text{S}=\text{(0}\text{,1}÷\text{0}{\text{,3)S}}_{\text{n}},(1)$$

где S - суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки;

S_n - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов,

происходит при бурении такое распределение потока промывочной жидкости в алмазной ступенчатой буровой коронке на забое скважины при котором его большая часть проходит через дополнительные цилиндрические промывочные каналы не размывая керн, а меньшая часть просачивается через узкие внутренние боковые промывочные каналы, с ослаблением напора и только омывает керн без его интенсивного размыва. Это обуславливает повышение сохранности выбранного керна горной породы.

Вследствие того, что дополнительные цилиндрические промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы повышается эффективность разрушения углового участка забоя скважины.

Исследованиями алмазного бурения, проведенными в ОАО «Тульское НИГП» установлено (Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. «Алмазный породоразрушающий инструмент» - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. - 288 с., ил.), что участок зоны сопряжения забоя со стенкой скважины имеет более высокую энергоемкость разрушения по сравнению с остальной областью забоя. Поэтому струи жидкости, выходящие из дополнительных цилиндрических каналов и направленные на угловой участок забоя скважины, разрушаемый при бурении периферией пилота матрицы, обеспечат снижение энергоемкости разрушения этой части забоя.

Благодаря тому, что диаметр дополнительного цилиндрического канала определяется по зависимости

$$d=2\sqrt{\frac{Q}{\pi \epsilon nV}},(2)$$

где d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;

Q - расход промывочной жидкости;

V - скорость истечения промывочной жидкости;

ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);

n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке,

кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических промывочных каналов выполнены коническими с острым углом при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки, в каждом дополнительном цилиндрическом промывочном канале формируется компактная струя с высоким гидромониторным эффектом, что позволяет повысить эффективность разрушения породы на забое, ее быстрый вынос из зоны разрушения благодаря чему повышается механическая скорость бурения алмазной коронкой и стойкость коронки.

Скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала можно определить по известной формуле Торичелли (P.P. Чугаев. Гидравлика. - Л.: Энергоиздат, 1982 - 672 с.)

$$V=\sqrt{2gh},(3)$$

где V - скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала;

g - ускорение свободного падения;

h - напор промывочной жидкости.

В формулу Торичелли обычно вводится поправка, называемая коэффициентом скорости φ. При учете указанной поправки скорость истечения промывочной жидкости будет

$$V=\varphi \sqrt{2gh},(4)$$

где V - скорость истечения промывочной жидкости из дополнительного цилиндрического промывочного канала;

g - ускорение свободного падения;

h - напор промывочной жидкости;

φ - коэффициент скорости.

Объемный расход промывочной жидкости, вытекающей из дополнительных цилиндрических каналов алмазной коронки можно определить по известной формуле (И.Л. Повх. Техническая гидромеханика. Л. «Машиностроение» 1976-504 с.)

$$Q=\varphi \epsilon \cdot S\sqrt{2gh},(5)$$

где Q - расход промывочной жидкости;

φ - коэффициент скорости (φ=0,94÷0,99);

ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);

S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов алмазной коронки;

g - ускорение свободного падения;

h - напор промывочной жидкости.

Суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке определяется по зависимости

$$S=\frac{\pi d^2}{4}n,(6)$$

где S - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов алмазной коронки;

d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;

n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке.

Решая уравнение (5) с учетом выражений (4) и (6) относительно диаметра d, находим

$$d=2\sqrt{\frac{Q}{\pi \epsilon nV}},(7)$$

где d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала;

Q - расход промывочной жидкости;

V - скорость истечения промывочной жидкости;

ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64);

n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке.

Алмазная ступенчатая буровая коронка состоит из корпуса 1 с наружной кольцевой проточкой 11, алмазосодержащей матрицы 2 с пилотом 7, разделенной на секторы 10 промывочными каналами: торцовыми - 5, боковыми внутренними 6 и наружными 3, наклонными 4, дополнительными цилиндрическими каналами 8 с входными кромками 9 (фиг.1, 2).

Алмазная ступенчатая буровая коронка работает следующим образом: при создании окружного и осевого усилий происходит разрушение горной породы коронкой при этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 коронки разделяется на два неравных по объему потока: меньший по объему поток просачивается через узкие внутренние боковые промывочные каналы 6, охлаждает внутренние подрезные алмазы, теряет часть напора и только омывает керн без его размыва. Больший по объему поток проходит через дополнительные цилиндрические каналы 8, формируется в них в компактную струю и благодаря гидромониторному эффекту интенсивно разрушает ослабленную алмазными резцами породу забоя, разрушенные части которой полностью выносятся с забоя, в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их.

Благодаря такому выполнению алмазной ступенчатой буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы, и ее удаление с забоя при минимальном износе рабочей части коронки, максимальной скорости бурения и высокой сохранности керна.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости и механической скорости бурения горных пород при высокой сохранности керна.

Экономический эффект на одну алмазную коронку диаметром 76 мм составляет 4000 руб.

Алмазная ступенчатая буровая коронка, включающая алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами, выходящими в торцевые промывочные каналы, на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой, отличающаяся тем, что суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из соотношения S=(0,1÷0,3)S_n, где S - суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки; S_n - суммарная площадь поперечных сечений дополнительных цилиндрических промывочных каналов; при этом дополнительные цилиндрические промывочные каналы расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы, а диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала определяется по зависимости $$d=2\cdot \sqrt[]{\frac{Q}{\pi \epsilon nV}},$$ где d - диаметр дополнительного цилиндрического промывочного канала; Q - расход промывочной жидкости; V - скорость истечения промывочной жидкости; ε - коэффициент сжатия струи (ε=0,62÷0,64); n - количество дополнительных цилиндрических промывочных каналов в алмазной коронке, кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических промывочных каналов выполнены коническими с острым углом при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки.