Способ алмазного бурения горных пород и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК E21B21/08 E21B10/46 

Изобретение относится к бурению горных пород и может быть использовано в народном хозяйстве при алмазном колонковом бурении геологоразведочных скважин.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет увеличения углубки за один оборот породо- разрушающего инструмента.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа, вид сбоку на фиг. 2 - то же, вид снизу; на фиг. 3 - вид на промывочный канал, вид Л на фиг. 1; на фиг. k - вид Б н фиг. 2.

Устройство состоит из корпуса 1, имеющего резьбу для соединения с ко- лопкопой трубой (не показано), скреп ле}П{ого с алмазосодержащей матрицей, разделенной на сектора 2 промывочными каналами 3. В промывочных каналах 3 имеются щели 4 для прохода промывочной жидкости, образованные перегородками 5. Перегородки 5 выполнены продолжением внутренней поверхности секторов 2 матрицы. Цель 4 имеет уго 6 поворота относительно радиального направления в сторону вращения инструмента. Угол 6 поворота щели 5 отно сительно радиального направления максимален у рабочего торца устройства и с высотой щели плавно уменьшается таким образом, что у корпуса I щель имеет уже радиальное направление.

Устройство работает следующим образом.

Под осевой нагрузкой алмазы торца устройства вдавливаются в забой, а при вращении снаряда, что обуславливает движение алмазов торца по забою происходит разрушение породы. Промывочная жидкость подается по буровому снаряду к забою, проходит внутри кор

пуса 1 устройства, смывает внутренние 45 бурения определяется: поверхности секторов 2 и перегородок 5 и через щели 4 подается в промывочные каналы 3, а затем по скважине выносится на поверхность. На выходе из

600 мин X (0,12-0 72-84 мм/мин

При бурении подбира

щели 4 и при касательном пересечении gQ жидкости с тем, чтобы при оптимальзабоя по npOMbiBO4HONry каналу 3 струя промывочной жидкости обладает значительной скоростью. В связи с этим суммарное гидростатическое и гидродинамическое давление жидкости на забой в месте касания его пересекающей струей ниже, чем только гидростатическое давление по остальной площади промывочного канала 3, и уже проникнои механической скорости мощность на бурение была минимальной, это сви детельствует о работе алмазов в режи ме мокрого трения, т.е. о том, что ее скорость фильтрации, которая находит ся в прямой зависимости от скоро.сти истечения промывочной жидкости из щелей, равна или превьаиает оптимальную механическую скорость бурения.

g

0

щая под гидростатическим длплением в микротрещшп- забоя жидкость под струей выдавливается из микротрещин. При вращении инструмента прохождение промывочного канала 3 устройства над каждым участком забоя сопровождается воздействием сначала г идроста- тического давления столба жидкости в скважине, затем резкого снижения давления под струей из щели 4, обусловленного эффектом суммарного воздействия гидростатического и гидродинамического давлений и вновь гидростатического давления. Такая пульсирующая динамика действия давления жидкости позволяет жидкости глубже проникать в микротрещины забоя. Кроме того, при этом происходит осцилляция частичек породы из забоя, обра- зоьанньгх микротрещинами, в результате чего увеличивается глубина микротрещин, что способствует увеличению глубины промокаемого слоя. Колебания

5 частичек породы обусловлены разницей давлений промывочной жидкости в соседних микротрепщнах на границе касания забоя струей по мере вращения инструмента.

Пример. Забой на глубине 100 м находится под давлением промывочной жидкости, например воды, порядка 10 кг/см . Под этим давлением глубина промокаемого слоя достигает

с О,1 мм, следовательно, механическая скорость бурения при частоте вращения 600 мин не должна превьппать 600 мин X О, 1 мм 60 мм/мин 3,6 м/ч.

Однако, эффективной для данных пород и условий является опытно по добранная коронка с крупностью объемных алмазов 1,2 - 1,4 мм, следовательно, оптимальная механическая скорость

0

ения определяется:

600 мин X (0,12-0,14) мм 72-84 мм/мин 4,8 м/ч.

При бурении подбирается расход

нои механической скорости мощность на бурение была минимальной, это свидетельствует о работе алмазов в режиме мокрого трения, т.е. о том, что скорость фильтрации, которая находит- ся в прямой зависимости от скоро.сти истечения промывочной жидкости из щелей, равна или превьаиает оптимальную механическую скорость бурения.

После каждого рейса исследуется износ алмазов на предмет наличия на забое сухого трения, о чем могут свидетельствовать площадки заполиро- ванил на нижних концах. Если этого нет, то режимы выбраны правильно и повьппение глубины фильтра1Д1и достигает как минимум 30-40%, Следовательно, эффективность собственно бурения повысилась на 30-40%.

В случае, если механическая скорость осевой нагрузкой не оптимизируется, что указывает на применение слишком крупных для данных проходимых пород алмазов, необходимо применить инструмент с меньшей размерностью объемных алмазов. При этом следует учитывать то, что для обеспечения наибольшей эффективности бурения необходимо применение породоразруша- ющего инструмента с максимально большой для данных пород крупностью алмазов, так как это обеспечит лучшую механическую скорость бурения.

Бурение на больших глубинах связано с большим гидростатическим давле- нием, что обуславливает большую глубину промокаемого слоя, поэтому необходимость в применении предлагаемого способа и устройства с глубиной скважины уменьшается.

Для того, чтобы струя иэ щели пересекала забой в радиальном направле

НИИ и время действия гидростатическо- -js скорость фильтрации промывочной жидкости путем увеличения механической скорости бурения до максимальной для

го давления на забой в каждом промывочном канале до и после воздействия струй было равным, щель выполняют с переменным углом 6 к радиальному направлению устройства в направлении его вращения, учитывающим линейную скорость вращения устройства и скорость истечения струй промывочной жидкости из щели.

Пример. При современных режимах бурения алмазами линейная скорость движения матрицы при вращении инструмента равна 2-2,5 м/с (частота вращения коронки 59 мм в пределах 600-700 мин), а скорость истечения из щелей общей площадью около 50 мм (6 щелей шириной I мм и высотой 8 мм) при расходе 20-25 дм /мин составляет 8-10 м/с. Для данных условий максимальный угол поворота щели равен 13°.

По мере торцового износа секторов 2 матрицы площадь щелей 4 уменьшается, так как высота формирующих струю

данной коронки и подачи промывочной жидкости на забой под пульсирую- 40 шим давлением.

2.Устройство для алмазного бурения горных пород, включающее корпус

и алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными каналами

45 отличающееся тем, что- в каждом промывочном канале со стороны внутренней поверхности секторов матрицы выполнены перегородки, образующие щель, причем длина щели равна

5Q высоте матрицы.

3,Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью создания радиального направления касающейся забоя части струи промывоч55 ной жидкости из шели, последняя выполнена в форме голикоида с поворотом у рабочего торца матрицы в сторону вращения и с постепенным переходом по высоте в радиальное направление.

ю

48492

щелей равна высоте промывочных каналов 3, а значит, .скорость истекаюших из шелей 4 струй промывочной жидкости возрастает. Угол 6, под которым выбрасывается промывочная жидкость из шели 4, т.е. угол поворота шели 4 относительно радиального направления инструмента, плавно уменьшается с высотой щели, и у корпуса I шель 4 имеет уже радиальное направление. Этим достигается то, что струя, увеличивающая свою скорость по мере торцового износа устройства,все время пере- 15 секает забой в радиальном направлении.

Увеличение глубины промокаемого слоя и скорости фильтрации позволяет повысить механическую скорость бурения путем увеличения углубки инструмента за оборот, снизить мощность на вращение инструмента и в целом повысить эффективность бурения. Формула изобретения

1. Способ алмазного бурения горных пород, включающий разрушение пород яабоя алмазами породоразрушающего инструмента с одновременным воздействием промывочной жидкостью на разрушаемый слой забоя, отличающий с я тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет увеличения углубки за один оборот породорежущего инструмента, уравнивают механическую скорость бурения и

20

25

30

скорость фильтрации промывочной жидкости путем увеличения механической скорости бурения до максимальной для

данной коронки и подачи промывочной жидкости на забой под пульсирую- шим давлением.

2.Устройство для алмазного бурения горных пород, включающее корпус

и алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными каналами,

отличающееся тем, что- в каждом промывочном канале со стороны внутренней поверхности секторов матрицы выполнены перегородки, образующие щель, причем длина щели равна

высоте матрицы.

3,Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью создания радиального направления касающейся забоя части струи промывочной жидкости из шели, последняя выполнена в форме голикоида с поворотом у рабочего торца матрицы в сторону вращения и с постепенным переходом по высоте в радиальное направление.

(pi/e. 2

Изобретение м.б. использовано при бурении геологоразведочных скважин и позволяет повысить эффективность бурения за счет увеличения уг- лубки за один оборот породорежушего инструмента и создать радиальное направление касающейся забоя части струи промывочной жидкости (ПЖ) из . щели. Устройство включает корпус и алмазосодержащую матрицу (АМ), разделенную на сектора 2 проь(ывочпыми каналами 3. В каждом из них с внутренней стороны секторов 2 выполнены перегородки 5, образуюпше щель 4 с высотой, равной высоте AM. Шель 4 имеет форму голикоида с поворотом у рабочего торца AM в сторону вращения и с постепенным переходом по высоте в радиаль}1ое направление. Для осуществления способа с гюмощ1,и) данного устроГютва сначала разругдают породу забоя алмазами инструмента. менно ПЖ подается по буровому снаряду к забою под Г1ул1 сирую1цим давлением и возде1 1ствует на его разрушаемы слой. Пульсация Ш обусловлена воз- дергствием гидростатического столба жидкости в скв;1Ж1П1е, а затем резким снижением давления под струей из щели 4. При этом скорость фильтрации ПЖ и механическую скорость бурения уравнивают путем увеличения Mexaim- ческой скорости до максим;1Л11Ной для данной коронки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. Ф (Л оо 4 ОО ее N:)

фуг J

Редактор A. Долинич

Составитель A. Хромин Техред Л. СерлТкжоьл

5173/31

Тираж 532 Подписное BliHHirH Государственного комитета СССР

по делам и:эобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Произиодстненно-полигрпфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фил. If

Корректор А.Зимокосов