ТЕРМОФРИКЦИОННЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2006 года по МПК E21B10/46 E21B7/14 

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, применяемой при проходке геолого-разведочных скважин, и также может быть использовано во всех комбинированных способах разрушения горных пород, разупрочняющих поверхностный слой породы нагреванием.

Известна алмазная буровая коронка, в которой основания породоразрушающих элементов с целью охлаждения наиболее нагруженных из них выполнены из сплава, обладающего при термоциклировании эффектом памяти формы (ЭПФ). В этой коронке наиболее нагруженные породоразрушающие элементы вместе со сплавом с ЭПФ нагреваются раньше других до температуры обратного мартенситного превращения 40-60°С. При этом сплав с ЭПФ при нагреве свыше 60°С, т.е. при обратном мартенситном превращении, «вспоминая» заданную форму, уменьшает свою (основания резцов) высоту, что вызывает подъем резцов над забоем на 1-2 мм. При этом осевая нагрузка перераспределяется на недогруженные элементы, а перегретый породоразрушающий элемент интенсивно охлаждается промывочной жидкостью. Основными недостатками этой коронки являются неэффективность бурения перемежающихся пород по крепости и высокая стоимость [1].

Известна также одинарная коронка, состоящая из корпуса, алмазных секторов и твердосплавных резцов [2]. Достоинством этой коронки является то, что алмазные сектора, разупрочняя поверхностный слой породы бороздками, микро- и макротрещинами, облегчают внедрение твердосплавных резцов в пород), а резцы, в свою очередь, снимая гребешки и микротрещиноватый слой, уменьшают объем породы под торцом алмазных секторов и тем самым облегчают вынос шлама и предотвращают преждевременный износ алмазных секторов. Существенным недостатком этой коронки является недостаточное разупрочнение при бурении крепких пород алмазными секторами, вследствие чего наблюдается быстрый износ твердосплавных резцов.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является термомеханический породоразрушающий инструмент, который представлен в виде буровой коронки и включает корпус с установленными на нем фрикционными элементами, резцы, закрепленные на торце втулки, и пружину-фиксатор [3].

Коронка работает следующим образом. При постановке на забой от действия веса снаряда и части осевого усилия пружина-фиксатор сдеформируется, и резцы будут утоплены в промывочные пазы коронки, а коронка сядет на забой фрикционными элементами. При этом усилие, развиваемое пружиной, недостаточно для внедрения резцов в породу, поэтому при вращении снаряда резцы будут скользить по забою. При доведении осевого усилия и скорости вращения до рабочих параметров поверхностный слой пород разогреется и разупрочнится, а резцы внедрятся в этот слой и будут срезать его.

Недостатком этой коронки является увеличенная площадь торца коронки, что в 1,8-2,0 раза повышает объем разрушения по сравнению с одинарной коронкой при сопоставимых диаметрах выбуриваемого керна. Кроме того, опережающий износ резцов ограничивает проходку на рейс и требует частой смены резцов. Поэтому такие преимущества, как разупрочнение пород теплотой трения и ограничение давления на резец упругостью пружины снижаются, а область применения коронки ограничивается областью применения двойных колонковых труб. Таким образом, может быть поставлена задача значительного уменьшения объема разрушения пород забоя при обеспечении эффективного фрикционного разупрочнения поверхностного слоя пород забоя с его последующим отделением от забоя.

Решение этой задачи путем механического уменьшения ширины торца коронки, например прототипа, приводит только к уменьшению прочности коронки. Применение высокопрочных материалов с уменьшением ширины торца коронки также не снимает постановку такой задачи, так как из таких же материалов может быть изготовлена одинарная коронка с более уменьшенной шириной. Известно, что одинарная коронка имеет наименьшую ширину торца, однако в ее конструкцию не заложена возможность управлять выходом резцов на режим резания. Следовательно, задачу уменьшения объема разрушения в комбинированной термофрикционной коронке можно свести к задаче управления выходом резцов на режим резания в одинарных коронках.

Обеспечить выход резцов на режим резания при нагреве забоя могла бы опора из материала с коэффициентом теплового расширения, превышающим коэффициент стали в десятки тысяч раз. В такой коронке опора резцов, нагреваясь от тепла трения фрикционных элементов, стала бы выходить из-за торца фрикционных элементов и внедряться в разупрочненную фрикционными элементами породу. Однако предварительный поиск подходящего материала с нужным коэффициентом расширения положительного результата не дал. Более того, применение такого материала в качестве опоры резца сделало бы процесс бурения неуправляемым, так как изменение температуры забоя на каждый градус вызвало бы изменение глубины внедрения резца в породу.

Решить эту задачу можно, используя свойство некоторых материалов «запоминать» и «вспоминать» заданную форму при термоциклировании. При этом резец взаимодействует с приводом, выполненным из сплава с эффектом памяти формы с возможностью при нагреве увеличивать свои линейные размеры по оси коронки, и тем самым внедрять резцы в разупрочненный слой породы при его фрикционном нагреве. Такое решение проблемы требует равномерного износа массивных фрикционных и тонких лезвий режущих элементов. При этом режим разупрочнения и резания породы, а также материалы фрикционных и режущих элементов должны подбираться из условия их равномерного износа, что практически неосуществимо.

Наиболее полно задача управления выходом резцов на режим резания после термофрикционного разупрочнения пород забоя решается термомеханическим породоразрушадщим инструментом, включающим корпус, установленные на нем фрикционные элементы и резцы с резцедержателем и с опорой, отличающимся тем, что опора выполнена из сплава с эффектом сверхупругости с возможностью исполнять функцию привода резцов в рабочее положение, а резцы установлены с выпуском, равным суммарной величине упругой и неупругой деформаций сплава.

Сплавы с таким эффектом в общих чертах деформируются упруго, как пружины. Таким свойством обладают многие сплавы с памятью формы. Закономерности проявления эффекта сверхупругости сплавов, на котором основана работа предлагаемого породоразрушающего инструмента, заключается в следующем.

На начальной стадии деформирования рабочего элемента со сверхупругостью при температурах, превышающих температуры начала прямого и конца обратного мартенситных превращений в ненагруженном состоянии, сплав в интервале деформаций ε<ε₁ (1-2%) деформируется упруго (фиг.1, 2). Дальнейшее приложение напряжения σ>σ₁ приводит к интенсивному накоплению неупругой деформации ε_н=ε₂-ε₁ (5-8%), причем разность σ₂-σ₁ может быть малой (т.е. dσ/dε>0, а в предельном случае σ₁=σ₂ и σ₃=σ₄ - постоянные величины в интервалах деформаций ε₁-ε₂ и ε₃-ε₄ соответственно).

Если при σ₂, соответствующем переходу в мартенситную фазу всего объема сплава (в идеальном случае), прекратить дальнейшее нагружение рабочего элемента и понизить величину приложенного напряжения, то с некоторым гистерезисом Δσ_г=σ₂-σ₃ (фиг.1) начнется процесс возврата накопленной неупругой деформации ε_н, который завершится полностью при σ₃=σ₄ вследствие завершения обратного мартенситного превращения при разгрузке. При этом сплав выбирается таким образом, чтобы напряжение σ₃=σ₄, соответствующее полному возврату деформации ε_н на стадии его разгрузки, соответствовало бы степени разупрочнения породы и минимальному износу резцов. В случае, когда σ₂-σ₁ и σ₃-σ₄ значительны (фиг.2), возврат деформации при разгрузке может быть неполным, но достаточным для оптимальной работы коронки (например, до ε'_н, фиг.1 б), а величина ε'_н определится усилием сопротивления резанию и его вертикальной составляющей, возрастающих с увеличением глубины внедрения резца в породу. Это обусловлено тем, что сила, необходимая для удержания резца в заглубленном состоянии, прямо пропорциональна скорости вращения коронки, величине заглубления резцов в породу и обратно пропорциональна прочности породы. При этом появляется возможность автоматической компенсации износа резцов в процессе бурения. Так как износ резцов приведет к уменьшению их заглубления в породу, а следовательно, и к уменьшению действующего в данный момент напряжения на рабочий элемент со сверхупругостью от σ'_н до σ"_н, что вызовет дополнительный возврат неупругой деформации от ε'_н до ε"_н.

Таким образом, применение сплавов с эффектом сверхупругости в одинарных коронках решает поставленную задачу, а использование сплавов с достаточно большой величиной интервалов σ₂-σ₁ и σ₃-σ₄ обеспечит возможность автокомпенсации износа резцов в процессе бурения, пока величина износа резцов не достигнет критической, при которой σ"_н станет равным σ₄ (фиг.2), т.е. произойдет полный возврат деформации.

В предлагаемом устройстве в отличие от аналогов и других комбинированных инструментов нет гидравлического или пружинного нажимного устройства, вызывающего уширение торца коронки и, следовательно, увеличение объема разрушения горных пород. Вместо них в качестве нажимного устройства применяются цилиндрические столбики, к примеру, из никелида титана диаметром 2,5-6,0 мм и высотой 10-20 мм, которые устанавливаются в пазах корпуса коронки, не вызывая значительного снижения ее надежности.

Из анализа вышеприведенных аналогов видно, что в коронке по а.с. СССР №1182147 для управления работой режущих элементов используется также сплав с ЭПФ. Однако в этой коронке сплав поднимает резец над забоем и исключает его из работы, когда он перегреется, а в нашем случае сплав выводит резец в рабочее положение и внедряет его лезвие в поверхностный слой пород забоя, когда он разупрочнится от нагрева при трении фрикционных элементов. Но, главное, замена одного устройства другим позволит почти в два раза уменьшить объем разрушения при сопоставимых диаметрах выбуреваемого керна. Все это говорит о том, что предлагаемое изобретение обладает новизной и изобретательным уровнем.

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- в 1.8-2.0 раза уменьшается объем разрушения пород забоя;

- переход на бурение одинарным колонковым снарядом, за счет чего в 2-4 раза расширяется область и увеличивается в погонных метрах объем бурения;

- появляется возможность автокомпенсации износа резцов;

- увеличивается скорость бурения;

- уменьшается вес и материалоемкость коронки. Работоспособность коронки при ее эксплуатации в особо тяжелых условиях может быть обеспечена тем, что резцедержатели могут быть изготовлены из высокопрочных материалов, например из стали марки 25ХГСА, и размещены в высокопрочных секторах, которые устанавливаются в соответствующих окнах корпуса коронки и привариваются к нему.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано, кроме вышеописанного, в виде лопастного и алмазного секторного долота для бурения соответственно взрывных и нефтяных скважин.

На фиг.1, 2 изображены стадии мартенситных превращений сплава с памятью формы при сверхупругости; на фиг.3 изображен общий вид термофрикционной коронки (промывочные каналы условно не показаны); на фиг.4 вид на коронку снизу.

Коронка состоит из корпуса 1 со специальными скошенными пазами 2, фрикционных элементов 3, резцов 4 с резцедержатели ромбовидной формы 5, снабженных заплечиками 6 и установленных с возможностью движения в пазах 2, замков внутренних 7 и внешних 8, опоры-привода 9, установленного в полости цилиндрического канала-паза 10. Установка и фиксация резцов под определенный угол и их защита от выпадения при подъеме из скважины осуществляется замками 7 и 8, привариваемыми к корпусу коронки.

Коронка работает следующим образом. После спуска снаряда в скважину на пониженном режиме доходят до забоя с подачей промывочной жидкости для очистки забоя от осевшего шлама. При этом коронка садится на забой выступающими резцами. Так как сила упругости сплава с эффектом сверхупругости гораздо ниже усилия внедрения резцов в неразупрочненную породу (100-250 кгс), последние начинают утопать до уровня фрикционных элементов в промывочные пазы за счет упругой и неупругой деформации сплава. После этого на пониженном режиме начинается взаимоприработка забоя, фрикционных и режущих элементов. Затем параметры режима приработки плавно доводят до рабочих, а это в свою очередь приводит к интенсивному нагреванию и разупрочнению поверхностного слоя пород забоя. Одновременно с этим нагревается корпус коронки и сплав с ЭПФ.

Разупрочнение слоя породы вызывает уменьшение напряжения сплава, что, в свою очередь, приводит к обратному мартенситному превращению, т.е. возврату части накопленной деформации - ***'_н. Благодаря этому резцы начнут выступать за плоскость торцов фрикционных элементов. При этом необходимая рабочая температура сплава для проявления эффекта сверхупругости, т.е. отток тепла от сплава, контролируется и может регулироваться потоком промывочной жидкости. Когда усилие внедрения порядка 100-200 кгс от напряженного сплава уравновесится силой сопротивления породы, этот процесс возврата деформации стаблизируется и резец будет отделять от забоя разупрочненный слой, обнажая при этом новый, малопрогретый. Следующий за резцом фрикционный элемент снова трением прогреет и разупрочнит поверхностный слой, который срежет следующий за ним резец, и т.д. Увеличение внедрения резца в породу автоматически увеличивает давление забоя на резец, т.е. на сплав. Этим самым ограничивается полный возврат накопленной деформации. При этом возврат деформации сплава составит порядка 0,1-0,2 мм при общей деформации порядка 0,7-1,0 мм при высоте привода 15-20 мм. Величина возвращаемой деформации регламентируется толщиной разупрочненного слоя породы, которая практически лежит в пределах 0.1-0.2 мм.

Таким образом, когда резец износится на величину, к примеру, на 0.5 мм, сплав при несколько меньших напряжениях вернет свою деформацию ε"_н и скомпенсирует этот износ. Когда полностью вернется накопленная деформация - ε_н, сплав будет работать упруго, как обычная пружина, в пределах 1-2% от всей высоты привода.

Если в процессе бурения порода разупрочнится глубже или в разрезе встретятся более слабые породы, то резец внедрится глубже, при этом увеличится скорость бурения. А если толщина разупрочненного слоя будет малой, то увеличится сила сопротивления пород внедрению и резец будет снимать более тонкий слой. Скорость бурения при этом уменьшится. Режим разупрочнения и резания породы, а также материалы режущих элементов подбираются из условия наибольшей стойкости резцов и оптимальной механической скорости бурения. Когда начнут поднимать коронку, сплав полностью вернет свою накопленную неупругую и упругую деформацию, а резцедержатель повиснет заплечиками 6 на замках 7 и 9, приваренных к корпусу коронки.

Рассмотрим конкретный пример выполнения привода 9 из сплава с эффектом сверхупругости. В условиях работы породоразрушающего инструмента, связанных с воздействием на привод повышенных напряжений и температур, наиболее отвечающими требованиям длительной эксплуатации являются двойные сплавы на основе никелида титана типа сплавов марки ТН-1 с содержанием никеля 50,5-50,8 ат.%. Эти сплавы характеризуются достаточно высоким пределом пластического течения (750-850 МПа) и значительной величиной накапливаемой и возвращаемой деформации в процессе реализации эффекта сверхупругости при повышенных температурах. После закалки от 1073-1123 К эти сплавы при температурах 300-400 К имеют монофазную В2 структуру (высокотемпературная фаза), которая в цикле изотермического нагружения и разгрузки способна испытывать обратимое превращение в моноклинальный мартенсит В 19', обуславливающее при этом накопление и возврат неупругой деформации. В частности, при 300 К в процессе изотермического нагружения закаленного сплава с 50.5 ат.% Ni свыше σ₂≈370 МПа (см. фиг.1-2) протекает мартенситное превращение, обуславливая накопление деформации ε=ε₂-ε₁, примерно 3-4%, которая полностью возвращается в процессе последующей разгрузки до σ₄≈200 МПа при этой же температуре. При повышенных температурах напряжение начала деформационного мартенситного превращения растет до σ₂≈500 МПа, а напряжение полного возврата накопленной неупругой деформации составляет σ₄≈370 МПа. Величина возвращаемой деформации ε при этом почти не меняется по сравнению с величиной ε в изотермическом цикле «нагружение-разгрузка» при 300 К. Максимальная сила, действующая на резец, не превосходит 4500 Н в полуцикле нагружения и 3500 Н в режиме резания (σ=σ₄, фиг.1-2) при диаметре привода, равном 3,5 мм в полном рабочем цикле. Подготовленная к работе коронка имеет максимальный выпуск резцов 8, равный полной (упругой и неупругой) деформации сплава с эффектом сверхупругости. При обычном твердосплавном бурении нагрузка на резец колеблется в пределах 600-1000 Н, а действующее усилие привода превышает в 5-9 раз. Поэтому, чтобы обеспечить заглубление резца только на глубину слоя предразрушения, лезвие резца должно иметь предварительную площадку затупления шириной порядка 0,3-0,7 мм. Это позволяет в качестве резца применять тонкие пластины твердого сплава, как в самозатачивающихся коронках типа СА.

Источники информации

1. А.с. СССР №1182147, кл. Е 21 В 10/46. Буровая коронка // Е.К.Субботин, Л.В.Стихов, М.А.Бабец и Н.Д.Нечаев. - Опубл. в БИ №36, 1985.

2. А.с. СССР №1760075, кл. Е 21 В 110/48. Комбинированная буровая коронка // Г.В.Арцимович, В.В.Иванов, В.П.Макшаков и Л.Н.Федоров. - Опубл. в БИ №33, 1992.

3. A.c. СССР №1541364, кл. Е 21 В 7/14. Термомеханический породоразрушающий инструмент // Г.С.Бродов, О.Я.Манякина. - Опубл. в БИ №5, 1990.

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, применяемой при проходке геолого-разведочных скважин, и также может быть использовано во всех комбинированных способах разрушения горных пород, нагреванием разупрочняющих поверхностный слой породы. В пазах корпуса коронки с возможностью движения размещен привод в виде цилиндрического столбика и резцедержатель. Привод выполнен из материала с эффектом сверхупругости, а резцы выступают над уровнем плоскости фрикционных элементов на суммарную величину упругой и неупругой возвращаемой деформации. Когда от тепла трения разупрочнится поверхностный слой породы и нагреется сплав выше температуры конца обратного мартенситного превращения, привод увеличит свои линейные размеры по оси канала и вдавит лезвия резцов в породу. Обеспечивает по мере износа лезвия резцов дополнительный выход резцов из-под торца фрикционных элементов. Тем самым в пределах полной деформации сплава при сверхэластичности автоматически компенсируется износ лезвий резцов коронки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термомеханический породоразрушадщий инструмент, включающий корпус, установленные на нем фрикционные элементы и резцы с резцедержателем и с опорой, отличающийся тем, что опора выполнена из сплава с эффектом сверхупругости с возможностью исполнять функцию привода резцов в рабочее положение, а резцы установлены с выпуском, равным суммарной величине упругой и неупругой деформации сплава.2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде алмазного секторного долота для бурения нефтяных скважин.3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде лопастного долота для бурения взрывных и нефтяных скважин.