Алмазная буровая коронка для бурения глубоких геологоразведочных скважин

Е.В. Бучковский, Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, Н.В. Соловьёв
Открытое акционерное общество «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «Тульское НИГП»),
г. Тула

---

В настоящее время тенденция совершенствования технологического алмазного бурения, как в СНГ, так и за рубежом заключается в расширении областей эффективного применения снарядов со съёмными керноприёмниками (ССК) отечественного и зарубежного производства.

Поэтому значительно возрастает требование к алмазному породоразрушающему инструменту в части повышения его стойкости и механической скорости бурения.

Недостатком стандартных алмазных коронок при бурении глубоких геологоразведочных скважин является сравнительно невысокая долговечность из-за слабой защиты рабочей поверхности матрицы коронки.

Производственными исследованиями, проведёнными ОАО «Тульское НИГП» в Трудовской, Горловской (Донбасс) и Норильской геологоразведочных экспедициях и направленными на изучение работоспособности алмазных коронок при бурении глубоких скважин установлено, что после проведения спуско-подъёмных операций с постановкой снаряда на забой (без бурения) на глубине 1800-2300 м износ коронок по наружному диаметру составляет 0,1÷0,3 мм для Донбасса и 0,1?0,2 мм для Норильской ГРЭ. В отдельных случаях в обоих регионах наблюдались сколы торцевых алмазов коронок. Аномальное изнашивание коронок при спуско-подъёмных операциях является причиной преждевременного снятия коронки с работы.

При спуско-подъёмных операциях в глубоких скважинах наружные подрезные алмазы коронок, двигаясь по стенке скважины, подвергаются абразивному износу вследствие прямого динамического контакта с породами или обсадными трубами ствола скважины.

Путь движения подрезных алмазов при спускоподъёмных операциях и соответственно бурении практически сопоставим, поэтому сравнимы величины износа коронок в указанных условиях.

Таким образом, повышенный износ алмазных коронок при спускоподъёмных операциях является одной из отличительных особенностей процесса глубокого бурения и обуславливает повышенные требования к конструированию и правильному выбору алмазного породоразрушающего инструмента и его защиты при бурении твёрдых абразивных пород на глубоких интервалах скважин.

Поэтому в ОАО «Тульское НИГП» были проведены исследования на основе которых разработана новая алмазная буровая коронка для бурения глубоких геологоразведочных скважин, которая отличается тем, что наружный диаметр корпуса коронки определяется из соотношения

, (1)

где - наружный диаметр корпуса коронки;

- опытный коэффициент (=1,001?1,005)

- диаметр матрицы коронки,

при этом глубина кольцевой проточки и продольных каналов на корпусе более глубины промывочных каналов матрицы, а защитные элементы изготовлены в виде плёнки, покрывающей каждый сектор матрицы так, что толщина плёнки на рабочем торце матрицы в 1,5?3,0 раза больше толщины её по наружной боковой поверхности матрицы при этом плёнка изготовлена из эпоксидного материала с включением отвердителя и зерён абразива, удельный вес которого удовлетворяет неравенству

, (2)

где - удельный вес материала плёнки;

- удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;

- скорость восходящего потока промывочного агента;

- диаметр частицы разрушенной плёнки;

- динамическое напряжение сдвига;

- коэффициент структурной вязкости

,

где , - диаметр нетонущей частицы;

- коэффициент пропорциональности;

- площадь кольцевого сечения скважины;

- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;

- площадь забоя скважины;

- механическая скорость бурения;

- коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (=1,25?1,27).

Были исследованы изменения функции в зависимости от .

На рис. 1 представлены графики изменения функции от «а» на основе опытов Шишенко Р.И. и Бакланова по определению скоростей погружения шаров в глинистых растворах в стеклянном цилиндре 100 мм и высотой 1 м. Шарики изготовлялись из мастики различных удельных весов от 1,5 до 2,2. На рис. 1 кроме кривых нанесены также значения этой функции, определённые на основании опытных данных. При этом для каждого удельного веса шаров определялась величина и для каждого опыта величина а =. Скорость падения частиц «и» находилась из опыта по времени прохождения шариком участка длиной 50 см. По скорости «и» определялось значение и точки наносились на график.

Выражая как функцию а в формуле для , получим экспериментальную формулу для определения этой величины

, (3)

где е – опытный коэффициент.

Коэффициент е определяем по опытным данным по методу

наименьших квадратов (е=0,069)

Эта зависимость показана на рис. 3 пунктирной линией, которая достаточно удовлетворительно соответствует опытным данным.

На новую алмазную буровую коронку имеется патент на полезную модель.

Алмазная буровая коронка показана на рис. 2 и 3, где схема армирования матрицы плёнкой.

Алмазная буровая коронка состоит из алмазосодержащей матрицы 1 с промывочными каналами 4, с торцевыми алмазами 6, наружными подрезными алмазами 7 и внутренними подрезными алмазами 8, расположенными на секторе 9 матрицы, который покрыт плёнкой 10 на рабочем торце, плёнкой 11

Рис. 1. Изменение функции от а:

1 – при значении коэффициента пропорциональности ;

2 – при значении коэффициента пропорциональности ,25;

3 – по опытным данным

Рис. 2. Рис.3.

Алмазная буровая коронка

по наружной поверхности матрицы и плёнкой 12 по внутренней поверхности матрицы. Цилиндрический корпус 2 с наружным диаметром выполнен с кольцевой проточкой 3, сообщающейся с промывочными каналами 4 матрицы и продольными промывочными каналами 5 корпуса.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом. При спуске бурового снаряда в скважину алмазосодержащая матрица 1, армированная алмазами торцевыми 6, наружными подрезными 7 и внутренними подрезными 8, благодаря увеличенному диаметру , выбранному по установленной формуле, цилиндрического корпуса 2 не контактирует наружными подрезными алмазами 7, покрытыми плёнкой 11, с обсадными трубами ствола скважины и вследствие этого не подвергается абразивному износу от прямого динамического контакта с этими элементами скважины. При достижении забоя и взаимодействии с остатками керна в нём матрица коронки контактирует с породой забоя рабочим торцем с утолщённой защитной плёнкой и внутренней поверхностью матрицы с нанесённой защитной плёнкой, что обуславливает полную сохранность от износа торцевых алмазов и внутренних подрезных алмазов 8.

При создании осевого и окружного усилий происходит эффективное взаимодействие плёнки, содержащей абразивные зёрна, на рабочей части алмазосодержащей матрицы с породой забоя, плёнка быстро разрушается и благодаря её удельному весу, выбранному в соответствии с формулой (2) полностью выносится промывочной жидкостью через промывочные каналы матрицы 4, кольцевую проточку корпуса 2, продольные промывочные каналы 5 корпуса 2 на дневную поверхность скважины.

Такая конструкция коронки обеспечивает полную сохранность алмазов матрицы от износа при спускоподъёмных операциях и благодаря этому способствует повышению эффективности разрушения породы и бурению горных пород.

В результате стендовых испытаний новых алмазных коронок установлено повышение их стойкости и механической скорости бурения. 

---

Назад к списку