АЛМАЗНАЯ КОРОНКА ДЛЯ КОМПОНОВКИ БУРОВОГО СНАРЯДА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к области технологии и техники бурения твердых горных пород с отбором керна.

Необходимость данного технического решения состоит в том, что при проходке скважин в анизотропных горных породах происходит их самопроизвольное искривление, что значительно удлиняет сроки работ и повышает их стоимость. Надежных и высокоэффективных средств снижения искривления, учитывающих основные условия работы породоразрушающих инструментов в компоновке бурового снаряда, при бурении с отбором керна не создано.

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 не имеет эксцентриситета торца матрицы, а матрица выполняется с нормальной насыщенностью алмазами. При изготовлении коронок насыщенность матрицы алмазами определяют по зависимости (см. там же, стр. 72, 73):

где N насыщенность алмазами матрицы,
V_A объем алмазов в матрице, см³;
V_M объем матрицы, см³.

Насыщенность N в основном зависит от зернистости алмазов и составляет для отечественного инструмента диаметром 46, 59, 76 мм при зернистости 30 20, 40 30, 60 40 штук/карат, насыщенность соответственно 6,0; 5,7; 4,5% (стандартные значения).

Алмазные коронки с кольцевой формой торца матрицы применяются в компоновках бурового снаряда, состоящего, кроме коронки, из расширителя, колонковой трубы с переходником и бурильных труб для проходки скважин в твердых породах, в том числе таких, которые вызывают естественное искривление стволов скважин.

Недостатком аналога является их низкая эффективность как средств, снижающих естественное искривление скважин. Кроме того, в твердых породах аналог имеет нестабильные результаты по механической скорости бурения и ресурсу, что связано с тем, что конструктивные параметры коронок не учитывают условия работы бурового снаряда.

За прототип принята алмазная коронка для компоновки бурового снаряда (а. с. N 1637402 E 21 B 10/02, опубл. 13.10.88), содержащая цилиндрический корпус с резьбой и матрицу, насыщенную объемными и подрезными алмазами и разделенную на сектора промывочными пазами, причем один промывочный паз выполнен увеличенной ширины в сравнении с остальными. Наличие промывочного паза увеличенной ширины обеспечивает прототипу эксцентриситет торца матрицы. Матрица прототипа имеет насыщенность алмазами согласно зависимости (1), т.е. она отличается равномерностью и не отличается от стандартных величин.

Прототип применяется в компоновке бурового снаряда, состоящего, кроме коронки, из расширителя, колонковой трубы с переходником в ее верхней части, посредством которого колонковая труба соединяется с бурильной колонной. При бурении горных пород, вызывающих естественное искривление скважин, прототип за счет эксцентриситета торца матрицы вращается вокруг оси скважины, что исключает ориентированный перекос под действием отклоняющей силы, и этим снижается интенсивность естественного искривления.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая и нестабильная эффективность по снижению искривления, что определяется тем, что величина эксцентриситета торца матрицы задается без учета конструктивных параметров компоновки бурового снаряда.

Кроме того, недостатком прототипа является повышенный износ секторов матрицы, расположенных по обе стороны от промывочного паза увеличенной ширины, а именно краев секторов, ближайших к увеличенному промывочному пазу.

Повышенный износ секторов связан с тем, что прототип на забое скважины находится с перекосом в сторону промывочного паза увеличенной ширины.

Предлагаемая алмазная коронка для компоновки бурового снаряда содержит корпус с резьбой, матрицу, насыщенную алмазами и разделенную промывочными пазами на сектора, один из которых выполнен увеличенной ширины. Наличие промывочного паза увеличенной ширины создает эксцентриситет торца матрицы коронки. Согласно изобретению величина эксцентриситета торца матрицы определяется исходя из конструктивных параметров бурового снаряда и режимов бурения согласно зависимости:

где EJ жесткость бурильных труб бурового снаряда, установленных над колонковым набором с коронкой, даН м²;
f полуразность диаметров бурильных труб и скважин, м;
P осевое усилие на коронку, даН;
l длина полуволны изгиба бурильных труб, установленных над колонковым набором с коронкой, м;
f_k полуразность диаметров переходника колонкового набора с коронкой, м.

Зависимость (2) учитывает все основные факторы, приводящие к изгибу колонкового набора и перекосу алмазной коронки на забое (cм. работу Буглов Н.А. Страбыкин Н.Н. Исследование устойчивости колонковых наборов при бурении направленных скважин. Экспресс-информация ВИЭМС, серия: Техника и технология геологоразведочных работ: орг.производства. -1985, вып.2, с.32 35).

На фиг. 1 дана схема для определения условий устойчивости колонкового набора. Согласно вышеуказанной работе Буглова Н.А. и Cтрабыкина И.Н. на колонковый набор передается изгибающий момент M₃, равный:

Обозначения параметров в формуле (3) такие же, как и в формуле (2).

В результате колонковый набор изгибается, а коронка получает перекос на забое на угол γ_o, который максимален и вызывает повышенное искривление скважин при бурении анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород. При этом угол γ_o пропорционален интенсивности искривления, а для уменьшения искривления скважин его необходимо снижать. Для аналога угол γ_o максимален из рассматриваемых в заявке коронок и потому при его использовании будет максимальное искривление У прототипа торец матрицы имеет эксцентриситет из-за наличия промывочного паза увеличенной ширины. Таким образом, при бурении на торец прототипа действует изгибающий момент M_к, определяемый по формуле:
M_к e•P (4)
где e эксцентриситет торца матрицы прототипа, м;
P осевое усилие на прототип, даН.

Если прототип установлен промывочным пазом увеличенной ширины с противоположной стороны от направления прогиба колонкового набора (фиг. 2), то действие M_к будет компенсировать действие изгибающего момента M_з и колонковый набор будет более прямолинеен, а угол γ_o будет меньше, чем при бурении аналогом (фиг. 1) и соответственно искривление скважины будет происходить с меньшей интенсивностью. Наилучший результат будет, когда γ_o= 0, что связано с величиной изгибающего момента M_к, компенсирующего изгибающий момент M_з, и, в конечном счете, с величиной эксцентриситета торца матрицы коронки. У прототипа величина эксцентриситета выбирается без учета параметров компоновки и потому его эффективность будет всегда неполной, т.е. условия, когда γ_o= 0, а M_к M_з, добиться без расчета необходимого и рационального значения эксцентриситета невозможно.

Согласно изобретению, величина эксцентриситета алмазной коронки рассчитывается из уравнения:

Таким образом, используя коронку с промывочным пазом увеличенной ширины, в случае, если величина эксцентриситета определяется из зависимости (2), добиваемся максимальной прямолинейности колонкового набора, что означает γ_o= 0, а интенсивность искривления будет минимальной.

Опыт применения коронок с увеличенной шириной промывочного паза показывает, что наиболее интенсивный износ матрицы наблюдается у секторов, примыкающих к промывочному пазу увеличенной ширины, и составляет максимально 0,5 длины секторов со стороны промывочного паза увеличенной ширины.

Повышенный износ связан с тем, что коронка на забое максимально нагружена в той части матрицы, которая примыкает к промывочному пазу увеличенной ширины. Сектора матрицы, расположенные по обе стороны от промывочного паза увеличенной ширины, изнашиваются более интенсивно, т.к. совершают основную работу по разрушению горной породы. В разрушении забоя, таким образом, наиболее активно участвуют сектора, примыкающие к большому промывочному пазу (фиг. 3).

Согласно изобретению, для снижения износа матрицы предлагаемой коронки и повышения механической скорости бурения, насыщенность алмазами двух ближайших к промывочному пазу увеличенной ширины секторов повышается на 25% в сравнении с насыщенностью остальной части матрицы. Величина повышения насыщенности на 25% установлена опытным путем: работы показали, что повышение насыщенности алмазами на 25% полностью снимает опережающий износ крайних частей секторов, примыкающих к большому промывочному пазу и повышает износостойкость коронки. Центральный угол сектора с увеличенной насыщенностью алмазами определяется в зависимости от величины эксцентриситета торца матрицы и повышается пропорционально в пределах: от β = 0 при e 0, до β = 0,5γ при e e_max.

Указанная взаимосвязь величины центрального угла с повышенной насыщенностью алмазами N с величиной эксцентриситета e установлена в виде формулы:

где e эксцентриситет матрицы коронки, рассчитанный по предложенной зависимости (2) для параметров бурового снаряда, при которых коронка будет применяться, м;
e_max максимально возможный эксцентриситет торца матрицы, полученный при максимально возможных значениях прогиба f, осевого усилия P, минимальной длины полуволны изгиба бурильных труб l, согласно зависимости для расчета e, м;
γ центральный угол сектора алмазосодержащей матрицы коронки, примыкающей к промывочному пазу увеличенной ширины, м.

Таким образом, с повышением эксцентриситета от 0 до e_max, пропорционально увеличивается центральный угол сектора матрицы, выполненный с увеличенной насыщенностью алмазами, что дает максимальную износостойкость коронки и максимальную механическую скорость бурения при максимальной экономии алмазов.

Заявителям неизвестно использование указанных выше отличительных особенностей в другой совокупности признаков, что дает основание считать предлагаемую коронку соответствующей изобретательскому уровню.

На фиг. 1 показана схема для определения устойчивости колонкового набора бурового снаряда при бурении аналогом (обычная буровая компоновка);
на фиг. 2 схема для определения устойчивости колонкового набора бурового снаряда при бурении коронкой с одним увеличенным промывочным пазом (прототип) при установке коронки с ориентацией большого промывочного паза с противоположной стороны прогиба колонкового набора;
на фиг. 3 схема положения коронки с промывочным пазом увеличенной ширины на забое;
на фиг. 4 предлагаемая алмазная коронка;
на фиг. 5 дан график e = f(α) зависимость эксцентриситета от центрального угла α на торце матрицы коронки диаметром 59 мм.

Предлагаемая алмазная коронка состоит из корпуса 1 с резьбой 2, матрицы 3, насыщенной алмазами и разделенной на сектора 4 промывочными пазами 5 и 6. Промывочные пазы 5 выполнены одного стандартного размера, а промывочный паз 6 выполнен шириной большей, чем остальные, что обеспечивает торцу матрицы 3 коронки эксцентриситет за счет смещения его центра тяжести 7 от центра сечения коронки O. Эксцентриситет торца матрицы 3 коронки определяется из формулы:

где EJ жесткость бурильных труб 9 бурового снаряда, установленных над колонковым набором 10 с коронкой 11, даН м²;
f полуразность диаметров бурильных труб 9 и скважины 12, м;
P осевое усилие на коронку 11, даН;
l длина полуволны изгиба бурильных труб 9, установленных над колонковым набором 10 с коронкой 11, м;
f_к полуразность диаметров переходника 13 и колонкового набора 10 и скважины 12, м.

Сектора 4 алмазной коронки, ближайшие к промывочному пазу 6 увеличенной ширины, по величине β на всей части 8 сектора 4 выполнены с насыщенностью алмазами на 25% выше, чем насыщенность остальных секторов 4 всей матрицы 3. Центральный угол сектора 4 b определяется в зависимости от величины эксцентриситета по формуле:

где β величина центрального угла сектора алмазосодержащей матрицы 4, прилегающей к промывочному пазу увеличенной ширины 6, м;
e эксцентриситет матрицы 3 коронки 11, рассчитанный по зависимости для a при параметрах бурового снаряда, при которых коронка 11 будет применяться, м;
e_max максимально возможный эксцентриситет торца матрицы 3, полученный при максимально возможных значениях параметров, согласно зависимости для расчета, e.

Предлагаемая коронка работает следующим образом.

Алмазную коронку, которая имеет эксцентриситет торца матрицы 3, устанавливают в компоновку бурового снаряда, состоящего из колонкового набора 10 с переходником 13 и бурильных труб 9 таким образом, чтобы промывочный паз 6 увеличенной ширины располагался со стороны противоположной направлению изгиба колонкового набора 10. Направление изгиба колонкового набора 10 определяется путем изучения потертостей при бурении, когда используется коронка с кольцевой формой матрицы 3 (аналог). Потертости определяются по износу материала колонкового набора 10 или краски, которой перед бурением покрывается колонковый набор 10. Потертость указывает на то место, которое при изгибе контактировало со стенкой скважины 12. Таким образом, определяется ориентация коронки относительно направления прогиба колонкового набора 10 и промывочный паз 6 увеличенной ширины устанавливается с противоположной стороны от потертости колонкового набора 10. Поскольку величина эксцентриситета матрицы 3 коронки соответствует значению e, определенного из зависимости (2), которая учитывает конструктивные параметры компоновки бурового снаряда, возникающий при бурении изгибающий момент M_к компенсирует действие изгибающего момента M_з со стороны бурильных труб 9 и колонковый набор 10 при бурении получает форму, близкую к прямолинейной (фиг. 2). Угол перекоса коронки на забое практически отсутствует, что дает возможность бурить скважины с минимальной интенсивностью искривления.

Вследствие того, что матрица коронки 3 имеет один промывочный паз 6 увеличенной ширины коронка на забое максимально загружена в той части матрицы 3, которая примыкает к промывочному пазу 6 увеличенной ширины Сектора 4, расположенные по обе стороны от промывочного паза 6 изнашиваются более интенсивно, т.к. совершают основную работу по разрушению горной породы на забое. Поскольку части секторов 4, расположенных по обе стороны от промывочного паза 6, по величине b имеют насыщенность алмазами на 25% больше, чем остальная часть матрицы 3, коронка интенсивно и с возросшей скоростью разрушает забой. Матрица 3 при этом изнашивается равномерно, не имея локального износа, что в целом повышает ресурс коронки. Величина b повышенного насыщения алмазами определяется в зависимости от величины эксцентриситета коронки. Для максимального значения эксцентриситета b равно половине длины сектора, а по мере уменьшения эксцентриситета коронки. Для максимального значения эксцентриситета b равно половине длины сектора, а по мере уменьшения эксцентриситета коронки b уменьшается пропорционально. Таким образом, предлагаемая коронка обеспечивает бурение скважин с минимальной интенсивностью естественного искривления и при этом с высокой механической скоростью и максимальным ресурсом.

Пример 1.

Компоновка бурового снаряда: бурильные трубы 9 ЛБТН-54, колонковый набор 10 диаметром 57 мм, диаметр переходника 57 мм, диаметр коронки 11 59 мм.

Режимы бурения: P 2000 даН, частота вращения 1500 об/мин.

Рассчитываем эксцентриситет:
Жесткость бурильных труб 9 составит:

Длина полуволны l зависит от осевой нагрузки и частоты вращения и будет равна 4,4 м.

Рассчитываем величину β увеличенной насыщенности секторов 4:

Поскольку принятые значения параметров компоновки (f, f_к) максимальны для данного стандартного типа компоновки, а также максимальны и режимы бурения (P и частота вращения, а EJ величина постоянная для бурильных труб 9 ЛБТН-54, а l величина производная от P, частоты вращения бурильных труб и EJ, то полученное e e_max.

Поэтому для этого случая β = 0,5γ, т.е. насыщенность алмазами увеличивается на 25% в секторах 4, ближних к промывочному пазу 6 на расстоянии половины их длины.

Пример 2.

При такой ж компоновке бурового снаряда рассчитаем e и a, учитывая, что частота вращения снижена до 600 об/мин, осевая нагрузка P 1500 даH.

Для этого случая длина полуволны бурильных труб 9 составит: l 6,0 м.

e=0,17 см.

Учитывая, что для расчета примера 1 e e_max, получим:

По рассчитанному e определяется ширина промывочного паза 6 по углу α (фиг. 4) из известных зависимостей сопротивления материалов. Кривая, отражающая связь e и a, дана на фиг. 5 для стандартной алмазной коронки диаметром 59 мм.

Использование: технология и техника бурения твердых горных пород с отбором керна. Сущность изобретения: алмазная коронка для компоновки бурового снаряда включает корпус с резьбой и матрицу, насыщенную алмазами и разделенную на сектора промывочными пазами. Один из пазов имеет ширину большую, чем остальные, что обеспечивает эксцентриситет торца матрицы. Часть секторов, примыкающие к пазу увеличенной ширины выполнены с насыщенностью алмазами 25% большей, чем остальные. Приводятся математические зависимости для расчета эксцентриситета торца матрицы и центрального угла сектора с повышенной насыщенностью алмазами. 5 ил.

Алмазная коронка для компоновки бурового снаряда, включающая корпус с резьбой и матрицу, насыщенную алмазами и разделенную на сектора промывочными пазами, один из которых выполнен шириной, большей, чем остальные, обеспечивающий эксцентриситет торца матрицы, отличающаяся тем, что части секторов, примыкающие к пазу увеличенной ширины, выполнены с насыщенностью алмазами на 25% большей, чем насыщенность алмазами остальной части матрицы, при этом эксцентриситет торца матрицы определяется из формулы

где EJ жесткость бурильных труб бурового снаряда, установленных над колонковым набором с коронкой, даН м²;
f полуразность диаметров бурильных труб и скважины, м;
p осевое усилие на коронку, даН;
l длина полуволны изгиба бурильных труб, установленных над колонковым набором с коронкой, м;
f_к полуразность диаметров переходника колонкового набора и скважины, м,
а центральный угол секторов с повышенной насыщенностью алмазами выбирается из соотношения

где γ величина угла сектора алмазосодержащей матрицы коронки, прилегающей к промывочному пазу увеличенной ширины, м;
e эксцентриситет матрицы коронки, рассчитанный по предложенной выше зависимости для параметров бурового снаряда, при которых коронка будет применяться, м;
e_m a x максимально возможный эксцентриситет торца матрицы, полученный при максимально возможных значениях параметров, согласно зависимости для расчета e.