Алмазная буровая коронка Советский патент 1991 года по МПК E21B10/60 

Фиг/

317

Изобретение относится к технике и технологии буровых работ, а конкретно к технологии бурения алмазным породо- разрушакщим инструментом твердых, крепких трещиноватых и раздробленных горных пород.

Необходимость совершенствования алмазных коронок связана, в частности

с тем, что повыгаенныи износ коронок, снижение рейсовой проходки и в целом снижение эффективности бурения связаны с процессом самозаклинивания керна при бурении

Самозаклинивание керна приводит кроме повышенного износа коронок к истиранию керна, что отрицательно сказывается на результатах опробования месторождений, снижает качество геологоразведочных работ и поэтому связано с серьезными экономическими издержками.

Известна коронка из состава специального колонкового набора, предназначенного для снижения самозаклини- нания керна Внутри колонковой трубы и коронки выполнены совмещенные пазы с увеличивающимся сечением в направлении движения промывочной жидкости. Наличие пазов не позволяет частицам породы, отделившимся от керна, скапливаться в коронка над матрицей и предохраняет керн и коронку от самозаклинивания.

Однако в ранной коронке кусочки керна выносятся под ее торец,что требует его дальнейшего разрушения и ведет кроме уменьшения механической скорости бурения к повышенному износу матрицы коронки.

Недостатком коронки является сложность изготовления колонкового снаряда с совмещенными пазами, так как коронка должна применяться со специальной колонковой трубой и должно соблюдаться соответствующее совпадение пазов корешки и колонковой трубы,.

Известна коронка с отверстиями и подвижной втулкой, включающая в себя цилиндрически корпус с резьбой,кольцевую ллмазосодсржапую матрицу и три отверстия в корпусе, выполненные через 120 можду матрнпоя и резьбой, а также шУ НТГкьую втучку о ниутрепней полепи кг.чртл корсчкн, ко1) опал может IH ( ГЬКО О1 Н-ОГ ЯП 1МРТром, м, стрл г i г.оргтип I корпусе .

5

0

Коронка работает следующим образом. При попадании кусочков породы между керном и втулкой последняя начинает вращаться Кусочки породы при этом удаляются в затрубное пространство через периодически открывающиеся отверстия в корпусе коронки при совмещении этих отверстий с отверстиями подвижной втулки„

Однако при бурении происходит попадание, мелких кусочков породы не только между втулкой и керном, но и между втулкой и короночным кольцом, что при- водит к деформации кольца, его заклиниванию. Таким образом, подвижная втулка уже не выполняет поставленной перед ней цели и коронка работает как обычная без подвижной втулки и отверс- Q тий, т0в происходит заклинивание керна.

Недостатком известной коронки является низкая надежность при работе как средства борьбы с самозаклиниванием керна, что приводит к снижению ресурса коронки и рейсовой проходки.

Цель изобретения - повышение ресурса коронки и рейсовой проходки за счет повышения надежности удаления кусочков породы, приводящих к самозаклиниванию коронки, за пределы ее корпуса при бурении трещиноватых и раздробленных горных пород„

Цель достигается удалением кусочков породы, приводящих к заклиниванию коронки при бурении, при попадании между корпусом коронки и керном, через отверстие в корпусе коронки

Для повышения надежности удаления кусочков породы из корпуса коронки центр кольца матрицы смещают относительно центра корпуса коронки на расстояние е, определяемое из соотношения :

5

0

где

о с е Ј

k d

d k. d M 2

M

внутренний диаметр корпуса

коронки, м;,

внутренний диаметр матрицы

коронки, м„

В корпусе коронки выполнено отверстие со стороны, противоположной смещению матрицы, причем внешняя по отношению к корпусу сменка отверстия выполнена по касательной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса из точки, максимально удаленной от центра матрицы, а внутренняя по

отношению к поверхности корпуса стенка выполнена криволинейной с радиусом кривизны равным

R0 R,- 2e,

с центром кривизны на линии смещения матрицы коронки7где R,, - наружный радиус корпуса коронки, м.

При этом отверстие направлено вправо от направления смещения матрицы относительно корпуса коронки.

Криволинейный участок отверстия направлен по восходящей относительно матрицы траектории, причем угол подъема траектории об определяется из соотношения:

о (У arctg

а - dI q RK- S+2

где а - расстояние от матрицы коронки до резьбы на корпусе коронки, м;

S - толщина стенки коронки, м; d0 - диаметр отверстия в корпусе

коронки, м„

В предлагаемой коронке возможно скопление кусочков породы в заданной зоне корпуса коронки под действием повышенной центробежной силы, имеющей определенное относительно корпуса коронки направление, и удаление скапливающихся кугочков породы за пределы корпуса в затрубное пространство, что повышает надежность удаления кусочков породы, приводящих к самозаклиниванию коронки, т0е„ снижает вероятность самозаклинивания коронки при бурении трещиноватых и раздробленных пород. Кроме того, в предлагаемой коронке достигается снижение истирания керна, что повышает качество буровых работ„

На фиг„ 1 показана предлагаемая коронка, поперечное сечение; на фиг.,2 и 3 - соответственно сечения А-А и Б-Б на фиг„ 1; на фиг., 4 - сечение В-В на фиг.З; на фиг„5 - сечение Г-Г

на фиг, 30

I

Коронка состоит из цилиндрического корпуса 1 с резьбой 2, кольцевой алмазосодержащей матрицы 3 и отверстия 4, выполненного в корпусе 1 между матрицей 3 и резьбой 2 и имеющего криволинейный участок 5 по корпусу 1, который выполнен по восходящей траектории, начиная от отверстия 4 до точки максимального выступа матрицы за пределы корпуса 1 с, Кольцевая матрица 3 смещена своим центром относительно центра корпуса 1 на расстояние е, определяемое из соотношения

о е

d K - сЗдА

ю

5

0

5

0 5 0

5

0

где d K - внутренний диаметр корпуса 1;

d w - внутренний диаметр матрицы 3, Смещение матрицы 3 коронки относительно корпуса 1 коронки приводит к повышению величины центробежной силы, действующей на каждый отдельный кусочек породы, находящийся в зазоре между керном и корпусом 1 коронки. Центробежная сила повышается по мере повышения величины е„

Кроме того, центробежная сила при смещении матрицы 3 коронки на расстояние е имеет определенное направление относительно корпуса 1 коронки (направлена в сторону, противоположную смещению матрицы 3), что заставляет кусочки породы скапливаться в одной, заранее известной зоне корпуса 1 коронки (в направлении действия центробежной силы)с

Центробежная сила Гц направлена в сторону, противоположную смещению матрицы 3 (центр матрицы 3 - центр вращения коронки) и приводит к скапливанию кусочков породы в области, максимально удаленной от центра матрицы 3 коронки, Таким образом, добиваются концентрации кусочков породы в заданной зоне корпуса 1 коронки,,

Диапазон величины е выбран исходя из следующих соображений„ Величина е должна быть больше нуля для того, чтобы Гц, действующая на кусочки породы, имела определенное направление относительно корпуса 1, и чем больше эта величина, тем больше что благоприятно сказывается на скоплении кусочков породы в заданной зоне,, Но величина е не может быть больше полуразности диаметров (dk - d) из-за u вписываемости коронки в скважину и обеспечения нормальных условий бурения

В месте скопления кусочков породы (точка, максимально удаленная от центра вращения коронки) выполняется отверстие 4 для удаления кусочков породы в затрубное пространство0 Исходя из |

170И I

угповип наиболее благоприятных дпя удаления кусочкотз породы обоснована формп и рпчморы отверстия 4, Отверстие 4 выполняется диаметром не менее

5

величины cl.5- --

- + р э т с е „ н е

менее максимального зазора между керном и корпусом 1 коронки с Величина d согласно исследованиям может быть равна соответственно А, 5 и 6 мм, что обосновано экспериментами, В этом случае отверстие 4 позволяет удалять одновременно через него 2-3 кусочки породы и снижает вероятность его заку- порицания

Отверстие диаметром d0 засверлива- ется по касательной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 Коронки таким образом, что его вход находится в точке, максимально удаленной от центра матрица 3, именно той точки, в которой центробежная сила, действующая на кусочки породы, максимальна.. Вход отверстия 4 по ка- сательной выполнен1 исходя из того, что кусочки породы, скользя по внутренней поверхности корпуса 1 коронки, при ее вращении будут стремиться выйти из корпуса именно по траектории касательной к линии их вращения,

Внутренняя стенка отверстия 4 (по отношению к корпусу 1 коронки) выполняется криволинейной радиусом

Q 5 о

по

сктррии, что согласуется с нанранпе нием восходящего потока промывочной жидкости, который при вращении коронки закручивается вокруг бурового снаряда, поднимаясь вверх по яатрубному пространству между колонной и стенками с скважины..

Угол подъема траектории (4i предусматривается больше нуля, но не более значения

1 arctg

l| JX Ј.

где а - расстояние от матрицы 3 до

резьбы 2 на корпусе 1 корон- . ки, м;

S - толщина стенки корпуса 1 коронки, м;

d0 - диаметр отверстия 4 в корпусе 1 коронки, м„

Угол об принят исходя из максимального возможного угла подъема траектории криволинейного участка 5, который ограничен высотой корпуса 1 коронки (фиг0 5) в случае выполнения отверстия в самом нижнем положении корпуса (непосредственно над матрицей 3).

Меньшие значения угла & связаны с выполнением отверстия в других более высоких точках на корпусе, но не выше точки начала резьбы на корпусе.

Угол подъема траектории криволинейного участка 5 отверстия 4 выбран из

Изобретение относится к породо- разрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. Цель изобретения - повышение эффективности работы коронки за счет исключения самозаклинок керна. Буровая коронка1 включает корпус 1 с присоединительной резьбой 2 и радиальным отверстием 5, выполненным между резьбой 2 и матрицей 3, расположенной эксцентрично относительно корпуса 1. Радиальное отверстие 5 выполнено в корпусе 1 со стороны, противоположной смещению матрицы 3, и направлено по касательной в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и по восходящей относительно матрицы 3 траектории. В процессе бурения на кусочки породы, отделившиеся от керна, действует центробежная сила, величина которой максимальна в направлении, противоположном смещению матрицы 3, где и скапливаются разрушенные кусочки керна.Благо- с даря выполнению именно в этой зоне радиального отверстия 5 обеспечивается эффективное их удаление в затруб- ное пространство. Это исключает само- заклинивание керна при бурении по трем S (Л щиноватым породам. зап„ ф-лы, 5 ило J О о со

По - RV - ,

где 11 - наружный радиус корпуса 1 коронки, м.

Криволинейная поверхность атверс- тия с радиусом 10 обеспечивает удаление самых крупных кусочков породы (близких по размеру d01 в затрубное пространство с соизмеримым с размерами кусочков зазором (d j - d,-,), что предотвращает заклинивание коронки в скважине,

Поскопьку коронка при бурении вращается сиена попрано, отверстие 4 направлено вправо от липни, вдоль которой смещена матрица 3 коронки относительно корпуса 1„ что предусматривает пг иользовапно динамики потока жидкости ,..и удаления куспччоч породы ич корпуса 1 коро. к,: п затрубное про- страп тно

/:, у-т.- u inrri j-vci4i.i B iiopo { прегу- см rvi PL чо к .и-1 iKeiiiio ч PI. o i Hi. . ч о уч.с ri .1 т к ,ic , цч ;; .нчо. я чй тра

35

соотношения, учитывающего размеры корпуса 1 коронки:

arctg -ID

д.

Гм

S +

LK 2 расстояние от матрицы 3 кодь,

0

ронки до резьбы 2 на корпусе i коронки;

S - толщина стенки корпуса 1 ко- 0 ронки;

dQ - диаметр отверстия 4 в корпусе

1 коронки

Предлагаемая коронка работает следующим образом. В процессе бурения и кернообразования кусочки породы, отделенные от керна, оказываются в зазоре между керном и корпусом 1 коронки При этом на кусочки породы оказывает действие центробежная сила Гц, которая максимальна в направлении, противоположном смещению матрицы 3„

Выражение для Гц, центробежной силы, действующей на кусочек породы, определяется формулой

TV Ј m

где d - диаметр кусочка породы, м; Д - ртность плотностей кусочка породы и промывочной жидкости, Н/м2 ;

СО - угловая скорость вращения коронки, m - расстояние от центра кусочка породы до оси вращения коронки (центр матрицы 3 коронки) м.

Для коронки со смещенной матрицей 3 относительно корпуса 1 на расстояние е величина Гц в направлении, противоположном смещению матрицы, будет равна

Гц Ј frd3 uCO1 (m+e) „

Величина Гц повышается за счет смещения матрицы 3 относительно корпуса 1 коронки на расстояние е и при этом будет иметь постоянное относительно корпуса 1 коронки направление

В направлении смещения матрицы 3 центробежная сила равна

Гц Ird bCO (m-e).

i

Таким образом, Fц Рц что будет приводить к скапливанию кусочков породы 6 в направлении действия силы Рц, т „е,, в зазоре, как можно ближе к точке, максимально удаленной от центра матрицы 3 В результате добиваются концентрации кусочков породы б в заданной зоне корпуса 1 коронки В месте концентрации кусочков породы 6 выполнено отверстие 4 диаметром dQ, через которое кусочки породы 6 удаляются за пределы корпуса 1, а по криволинейному участку 5 отверстия 4 уда ляются в точку зазора между корпусом 1 и стенкой скважины 8, в которой ширина зазора максимальна и равна dj d0. Таким образом, при бурении происходит постоянный отток кусочков породы 6.из корпуса 1 коронки, что не приводит к скапливанию кусочков породы 6 над матрицей 3 коронки и к самозаклиниванию керна 7 при бурении

Предлагаемая коронка предназначена для бурения в твердых горных породах IX-X категории по буримости, корпус коронки смещен на величину е 1 мм и в корпусе выполнено отверстие для

ЛНКППДЯНШ К ( М. 1 . ПИ; I , | П1,1ЧС1 РОМ 4 ММ. ОГЧГрстНО Т .ЬПТМГНОНП vop-пусе со стопопы, противоположной смещен иго матрицы Пред.п-1 гагм а я корить.; выполнена ия стандартной март.и (ШП.

Исходные данные для расчета nnmri--- воцительнос ги прпведены п ,e .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

3„ Коронка по п„ 1, отличаю- щоа я с я тем, что эксцентриситет Б матрицы относительно корпуса выбран равным

LM

где гм - внутренний радиус матрицы.,

40 Коронка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что внутренняя стенка радиального отверстия направлена по восходящей относительно матрицы траектории, причем угол подъема траектории об определяется по формуле

а - d0

О С(У с arctsr

А-

где а - расстояния от матрицы коронки до резьбы на корпусе коронки;

S - толщина стенки корпуса коронки:

2,3 3,0

dn диаметр отверстия в корпусе коронкио

18 22

30 29

ФигЛ

П

Фиг. 5