АЛМАЗНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК E21B10/26 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки скважин в процессе вращательного бурения.

Известен алмазный расширитель, включающий корпус с алмазным вооружением и наклонными промывочными каналами /патент Канады N 948181, кл. 255-70, опубликование, 1974 г./.

Недостатком этого расширителя является несовершенство промывочной системы и сложная технология изготовления.

Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому результату к предлагаемому является алмазный расширитель /прототип/, содержащий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные промывочными каналами, площадь поперечного сечения которых равна площади поперечного сечения алмазосодержащих штабиков /М.кл.³ E 21 B 10/26, а.с. N 901457. - Алмазный расширитель/.

Недостатком этого расширителя является повышенный износ верхней части алмазосодержащих штабиков, вызванный скоплением в этой зоне при работе расширителя абразивного шлама вследствие падения скорости восходящего потока жидкости после его выхода из промывочных каналов. По этой причине снижается общая стойкость расширителя. Конструкция этого расширителя препятствует получению технического результата, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение. Вследствие того, что цилиндрический корпус расширителя имеет одинаковый диаметр по всей своей высоте, образующийся при бурении кольцевой зазор между корпусом расширителя и стенками скважины в верхней части расширителя /в направлении от буровой коронки/, расположенной выше алмазосодержащих штабиков, имеет площадь поперечного сечения, большую по величине, чем площадь его поперечного сечения в нижней части расширителя, расположенной ниже алмазосодержащих штабиков или на участке этих штабиков. Поэтому скорость восходящего потока в кольцевом зазоре над штабиками расширителя меньше по величине скорости его в кольцевом зазоре на участке алмазосодержащих штабиков, что вызывает скопление абразивного шлама в верхней части штабиков и повышенный износ этой части их с выпаданием отдельных алмазов.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение стойкости алмазного расширителя за счет устранения падения скорости восходящего потока жидкости после его выхода из промывочных каналов и исключения зашламования расширителя абразивным шламом.

Поставленная задача решается тем, что в алмазном расширителе, содержащем корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные промывочными каналами, площадь поперечного сечения которых равна площади поперечного сечения алмазосодержащих штабиков, корпус расширителя по наружной поверхности выполнен ступенчатым так, что диаметр нижней ступени, соединяемой с корпусом буровой коронки, выбран не менее наружного диаметра корпуса коронки, а диаметр верхней ступени корпуса расширителя определяется по формуле

где D₁ - диаметр буровой коронки, мм;
D₂ - диаметр нижней ступени корпуса расширителя, мм;
D₃ - диаметр расширителя по алмазосодержащим штабикам, мм;
D₄ - диаметр верхней ступени корпуса расширителя,
при этом входные кромки промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса.

Благодаря тому, что корпус алмазного расширителя по наружной поверхности выполнен ступенчатым, достигается возможность изменения площадей поперечных сечений кольцевого зазора между корпусом расширителя и стенками скважины на участках нижней и верхней ступеней так, что скорость восходящего потока остается постоянной по всей высоте расширителя.

Так как диаметр нижней ступени корпуса расширителя, соединяемой с корпусом буровой коронки, выбран не менее наружного диаметра корпуса коронки, при бурении обеспечивается постоянство скорости восходящего потока по всей высоте корпуса коронки и нижней ступени корпуса расширителя, что обуславливает полный вынос абразивного шлама из зоны нахождения нижней ступени и предохранение всей нижней ступени от абразивного износа.

Благодаря выбору диаметра D₄ верхней ступени корпуса расширителя по формуле

где D₁ - диаметр буровой коронки, мм;
D₂ - диаметр нижней ступени корпуса расширителя, мм;
D₃ - диаметр расширителя по алмазосодержащим штабикам, мм,
обеспечивается выполнение верхней ступени корпуса расширителя с таким наружным диаметром, при котором достигается равенство поперечных сечений кольцевого зазора между корпусом и стенками скважины на участках верхней и нижней ступеней. Вследствие этого скорость прохождения восходящего потока на участках нижней и верхней ступеней корпуса расширителя остается неизменной.

Формула для нахождения D₄ найдена на основе составления и решения на основе положений гидродинамики уравнения неразрывности для условий работы алмазного расширителя в скважине следующим образом:
ω₁f₁= ω₂f₂= Q, (1)
где ω₁, ω₂ - скорость восходящего потока жидкости в сечениях кольцевого зазора между стенками скважины, нижней и верхней ступенями расширителя соответственно при расходе потока Q;
f₁, f₂ - площади поперечных сечений кольцевого зазора в сечениях нижней и верхней ступеней соответственно.

Для условий работы расширителя в скважине имеем
ω₁f₁= ω₂f₂ (2)
(3)
(4)
где D₁ - диаметр буровой коронки, мм;
D₂ - диаметр нижней ступени корпуса расширителя, мм;
D₃ - диаметр расширителя по алмазосодержащим штабикам, мм;
D₄ - диаметр верхней ступени корпуса расширителя, мм.

Подставив выражения (3), (4) в уравнения (1) и решив его относительно D₄, получим

Для обеспечения полного выноса частиц абразивного шлама из зоны работы алмазосодержащих штабиков расширителя необходимо соблюдение условия
ω₁= ω₂≥ C, (6)
где C - минимально допустимая скорость подъема частиц шлама, зависящая от механической скорости бурения и допустимого обогащения промывочной жидкости шламом.

С учетом условия (6) выражение (5) примет окончательный вид

Вследствие того, что входные кромки промывочных каналов выполнены коническими, в них обеспечивается при прохождении восходящего потока жидкости формирование компактной струи, способной активно воздействовать на стенки скважины в зоне разрушения их алмазами штабиков и быстро полностью выносить породный абразивный шлам из зоны работы алмазосодержащих штабиков расширителя.

Благодаря выполнению входных кромок промывочных каналов коническими с острым углом α при вершине конуса достигается получение наиболее стабильной компактной струи, играющей важную роль в очистке стенок скважины от выбуренного породного шлама и выноса его из зоны работы расширителя. Из гидравлики известно, что гидравлическое совершенство промывочного канала характеризуется коэффициентом μ: чем больше значение μ, тем более совершенен канал.

В ТулНИГП было проведено на моделях промывочных каналов изучение зависимости коэффициента расхода от угла конусности входных кромок промывочных каналов путем сравнения теоретического расхода с действительным объемом жидкости, протекающим через каналы моделей в единицу времени при данном напоре.

Результаты этих испытаний представлены в нижеследующей таблице.

Как видно из данных таблицы, наибольшее значение достигается при остром угле конусности канала, равном 70^o.

Таким образом, при выполнении входных кромок промывочных каналов с острым углом при вершине конуса в промывочном канале расширителя обеспечивается при бурении формирование компактных и стабильных струй, способных своевременно выносить образующийся шлам из зоны работы алмазосодержащих штабиков.

На чертеже представлен общий вид алмазного расширителя с условным изображением присоединенной буровой коронки. Алмазный расширитель состоит из корпуса 1, алмазосодержащих штабиков 2, разделенных промывочными каналами 3 с выходными кромками 4 и входными кромками 5. Корпус 1 расширителя выполнен ступенчатым с двумя ступенями: верхняя ступень имеет наружный диаметр D₄, а нижняя ступень выполнена с наружным диаметром D₂, а входные кромки 5 промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса. Расширитель соединен с алмазной буровой коронкой 6.

Принцип работы предложенного расширителя заключается в следующем.

Под давлением насоса восходящий поток промывочной жидкости от забоя движется в направлении стрелки А. Как показано на чертеже, на участке на нижней границе корпуса коронки 6 до границы алмазосодержащих штабиков неизменность скорости восходящего потока обеспечивается тем, что диаметр нижней ступени корпуса 1 расширителя выбран не менее наружного диаметра корпуса коронки 6. При вхождении потока жидкости в промывочные каналы 3 через входные кромки 5 в каналах благодаря выполнению входных кромок коническими с острым углом при вершине формируются компактные и стабильные струи жидкости, которые воздействуют на стенки скважины. Вследствие этого образующийся перед алмазами при работе расширителя породный шлам полностью смывается промывочной жидкостью и удаляется из зоны работы алмазосодержащих штабиков.

При движении потока через выходные кромки 4 из расширителя в кольцевом зазоре между корпусом расширителя и стенками скважины обеспечивается сохранение скорости течения потока жидкости благодаря тому, что верхняя ступень корпуса 1 расширителя имеет определенный по формуле диаметр D₄, больший по величине, чем диаметр D₂ нижней ступени корпуса.

Заявленное изобретение может быть осуществлено при помощи описанных в заявке средств.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении стойкости расширителя на 40%.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки скважин в процессе вращательного бурения, а именно к алмазным расширителям. Алмазный расширитель содержит корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные промывочными каналами, площадь поперечного сечения которых равна площади поперечного сечения алмазосодержащих штабиков. Корпус по наружной поверхности выполнен ступенчатым так, что диаметр нижней ступени, соединяемой с корпусом буровой коронки, выбран не менее наружного диаметра корпуса коронки, а диаметр верхней ступени корпуса расширителя D₄ определяется по формуле где D₁ - диаметр буровой коронки, мм; D₂ - диаметр нижней ступени корпуса расширителя, мм; D₃ - диаметр расширителя по алмазосодержащим штабикам, мм, при этом входные кромки промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса. Повышается стойкость алмазных расширителей за счет устранения падения скорости восходящего потока промывочной жидкости после его выхода из промывочных каналов и исключения зашламования расширителя абразивным шламом при бурении. 1 ил., 1 табл.

Алмазный расширитель, содержащий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные промывочными каналами, площадь поперечного сечения которых равна площади поперечного сечения алмазосодержащих штабиков, отличающийся тем, что корпус алмазного расширителя по наружной поверхности выполнен ступенчатым так, что диаметр нижней ступени, соединяемой с корпусом буровой коронки, выбран не менее наружного диаметра корпуса коронки, а диаметр верхней ступени корпуса расширителя D₄ определяется по формуле

где D₁ - диаметр буровой коронки, мм;
D₂ - диаметр нижней ступени корпуса расширителя, мм;
D₃ - диаметр расширителя по алмазосодержащим штабикам, мм;
D₄ - диаметр верхней ступени корпуса расширителя, мм,
при этом входные кромки промывочных каналов выполнены коническими с острым углом α при вершине конуса.