Алмазная буровая коронка
Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных коронок и долот, армированных синтетическими или природными алмазами, либо сверхтвердыми материалами для бурения скважин. Предлагается алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую с защитными элементами матрицу с профилем рабочего торца, выполненным по кривой линии, разделенную на сектора промывочными каналами и цилиндрический корпус с кольцевой проточкой, сообщающейся с промывочными каналами матрицы и промывочными каналами корпуса отличающаяся тем, что наружный диаметр корпуса коронки определяется из расчетного соотношения в зависимости от диаметра матрицы, при этом глубина кольцевой проточки и продольных каналов на корпусе более глубины промывочных каналов матрицы, а защитные элементы изготовлены в виде пленки, покрывающей каждый сектор матрицы так, что толщина пленки на рабочем торце матрицы в 1,5÷3,0 раза больше толщины ее по наружной и внутренней боковым поверхностям матрицы, а пленка изготовлена из эпоксидного с включением отвердителя и зерен абразива материала, удельный вес которого удовлетворяет расчетному соотношению. Независимый пункт формулы - один.
Техническое решение относится к буровой технике и в частности к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами, для бурения глубоких скважин, в том числе с применением снарядами со съемными керноприемниками.
Известна алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую с защитными элементами в виде кожуха матрицу, разделенную на сектора свидетельство 
857423, М. кл. E21B 10/46, 1981 г).
Недостатком этой алмазной буровой коронки является: нерациональный диаметр корпуса коронки и отсутствие защитного элемента непосредственно на подрезных и торцевых алмазных резцах, что приводит при спуске коронки в скважину к интенсивному износу ее по наружному диаметру и механическому повреждению алмазов торца и по внутреннему диаметру при постановке бурового снаряда на забой скважины.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является описание в патенте на полезную модель Российской Федерации, RU 49563 U1, М. кл. E21B 10/00, 2004 г. алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую с защитными элементами матрицу с профилем рабочего торца, выполненным по кривой линии, разделенную на сектора промывочными каналами и цилиндрический корпус с кольцевой проточкой, сообщающейся с промывочными каналами матрицы и промывочными каналами корпуса.
Недостатком этой конструкции коронки является сравнительно не высокая долговечность из-за слабой защиты рабочей поверхности матрицы коронки.
Производственными исследованиями, проведенными 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-подъемных 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-подъемных операциях является причиной преждевременного снятия коронки с работы.
При спуско-подъемных 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 спускоподъемных операциях и соответственно бурении практически сопоставим, поэтому сравнимы величины износа коронок в указанных условиях.
Таким образом, повышенный износ алмазных коронок при спускоподъемных 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 твердых абразивных пород на глубоких интервалах скважин.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение долговечности алмазной буровой коронки за счет установления более рациональными диаметра корпуса коронки и конструкции защитных элементов рабочей поверхности матрицы.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей алмазосодержащую с защитными элементами матрицу с профилем рабочего торца, выполненным по кривой линии, разделенную на сектора промывочными каналами и цилиндрический корпус с кольцевой проточкой, сообщающейся с промывочными каналами матрицы и промывочными каналами корпуса, наружный диаметр корпуса коронки определяется из соотношения
dK=KdM
где d K - наружный диаметр корпуса коронки;
K - опытный коэффициент (K=1,001÷1,005)
d M - диаметр матрицы коронки,
при этом глубина кольцевой проточки и продольных каналов на корпусе более глубины промывочных каналов матрицы, а защитные элементы изготовлены в виде пленки, покрывающей каждый сектор матрицы так, что толщина пленки на рабочем торце матрицы в 1,5÷3,0 раза больше толщины ее по наружной боковой поверхности матрицы при этом пленка изготовлена из эпоксидного материала с включением отвердителя и зерен абразива, удельный вес которого удовлетворяет неравенству
,
где 
n - удельный вес материала пленки;
t - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;
W - скорость восходящего потока промывочного агента;
dШ - диаметр частицы разрушенной пленки;
0 - динамическое напряжение сдвига;
- коэффициент структурной вязкости
где a=dш/d0 , d0 - диаметр нетонущей частицы;
- коэффициент пропорциональности;
F ф - площадь кольцевого сечения скважины;
- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;
F3 - площадь забоя скважины;
VM - механическая скорость бурения;
в - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (в=1,25÷1,27).
Благодаря тому, что наружный диаметр корпуса коронки определяется по соотношению
dK=Kd M
где dK - наружный диаметр корпуса коронки;
K - опытный коэффициент (K=1,001÷1,005);
dM - диаметр матрицы коронки уменьшается износ алмазосодержащей матрицы коронки по наружному диаметру, так как при спуске коронки в скважину легкоистираемая часть стального корпуса с диаметром dK большим наружного диаметра матрицы обеспечивает защиту алмазных резцов матрицы от скола препятствуя их контакту с уступами пород и обсадных труб.
В процессе бурения наружная часть корпуса коронки легко истирается до диаметра матрицы и не препятствует нормальному процессу бурения.
При значениях опытного коэффициента К менее 1,001 наружный диаметр корпуса коронки приближается к диаметру матрицы, что не способствует эффективному предохранению алмазных резцов по наружному диаметру матрицы от разрушения, а при значениях коэффициента К более 1,005 - дальнейшего повышения качества сохранности алмазов от износа не наблюдается.
Вследствие того, что глубина кольцевой проточки и продольных каналов на корпусе более глубины промывочных каналов матрицы, разрушенные на забое горная порода и пленка в виде крупных частиц без измельчения свободно проходят через промывочные каналы матрицы и корпуса, попадают в кольцевое пространство между бурильными трубами и стенками скважины и полностью выносятся на поверхность.
Благодаря тому, что защитные элементы изготовлены в виде пленки, покрывающей каждый сектор матрицы так, что толщина пленки на рабочем торце матрицы в 1,5÷3,0 раза больше толщины ее по наружной боковой поверхности уменьшается износ матрицы коронки по наружному диаметру при спуске снаряда в скважину и исключается механическое повреждение ее рабочего торца при постановке на забой.
При толщине пленки на рабочем торце матрицы менее 1,5 толщины ее по наружной боковой поверхности сохранность рабочего торца от повреждения не достаточная, а при толщине пленки более 3-х толщин ее по наружной боковой поверхности сохранность рабочего торца от механического повреждения больше не повышается.
Вследствие того, что пленка изготовлена из эпоксидного с включением отвердителя и зерен абразива материала, удельный вес которого удовлетворяет соотношению
,
где n - удельный вес материала пленки;
t - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;
W - скорость восходящего потока промывочного агента;
dШ - диаметр частицы разрушенной пленки;
0 - динамическое напряжение сдвига;
- коэффициент структурной вязкости
,
где a=dш/d0 , d0 - диаметр нетонущей частицы;
- коэффициент пропорциональности;
F ф - площадь кольцевого сечения скважины;
- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;
F3 - площадь забоя скважины;
VM - механическая скорость бурения;
в - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (в=1,25÷1,27)
обеспечивается быстрый вынос на поверхность промывочным раствором разрушенных частиц пленки, что обуславливает осуществление непрерывности процесса углубки скважины.
Очистка забоя от выбуренной породы и разрушенных частиц пленки и вынос их на поверхность является важной функцией, выполненной с помощью глинистого раствора в процессе бурения.
Из гидравлики бурения известно (А.К.Козодой, А.В.Зубарев, B.C.Федоров, Промывка скважины при бурении, Гостоптехиздат, М, 1963), что скорость восходящего потока промывочного агента в скважине связана со скоростью подъема частиц и скоростью падения частиц в потоке следующим выражением
где W - скорость восходящего потока промывочного агента;
c - скорость подъема частиц;
a - опытный коэффициент (а=1,14)
u -скорость падения частиц в потоке.
Следует заметить, что величина коэффициента а принята в результате опытов А.С.Денисова (Денисов А.С., Разведка недр, 3, М, 1938) на моделях скважин очень малого диаметра. Из опытов следует, что коэффициент a уменьшается с увеличением размера модели и в некоторых случаях принимает значение, a <1. Поэтому нельзя признать обоснованным введение дополнительного коэффициента a>1 в формуле (1) и ее следует записать в виде
.
Известно (Будюков Ю.Е., Спирин В.И., Анненков А.А., Евсеев В.Н., Наумов О.А, патент РФ 2388005 на изобретение «Способ бурения крепких пород с гидротранспортом керна и буровой снаряд для его осуществления»), что для обеспечения хорошей промывки скважины и надлежащей чистоты ствола скорость подъема частиц должна быть не менее определенной величины, зависящей от механической скорости бурения, допускаемого обогащения промывочной жидкости шламом и учитывающей винтообразное движение частиц, обуславливаемое вращением труб
где c - скорость подъема частиц;
VM - механическая скорость бурения;
n - удельный вес частиц породы;
t - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;
Fop - площадь кольцевого сечения скважины;
- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;
в - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (в=1,25÷1,27).
Определяем скорость падения частиц в потоке U, понимая ее как скорость движения шара в вязкопластической жидкости (глинистые растворы) с использованием известной в гидравлике бурения методики (Р.И.Шищенко, Б.И.Есьман, Практическая гидравлика бурения, Изд-во «Недра», М, 1966).
Как известно, основное выражение касательных напряжений в пластической жидкости имеет вид:
где - касательное напряжение;
- коэффициент структурной вязкости;
u - скорость падения частиц;
r - текущий радиус поверхности, на которой определяется касательное напряжение;
0 - динамическое напряжение сдвига.
С другой стороны, касательные напряжения на некоторой поверхности, характеризуемой текущим диаметром D(dK>D>d ш) и постоянным значением градиента du/d r, для равновесия действующих на шар сил могут быть выражены формулой
где - касательное напряжение;
dШ - диаметр шара;
Ш - удельный вес материала шара;
- удельный вес промывочной жидкости;
Д - текущий диаметр поверхности на которой определяется касательное напряжение;
- коэффициент пропорциональности.
Сравнивая последние две формулы и разделяя переменные, получим уравнение
интегрируя которое в пределах от d Ш до dK найдем
откуда
Чтобы пользоваться формулой (7) необходимо определить коэффициент . Для этого запишем формулу (7) для случая вязкой жидкости, т.е. при =0 и радиуса зоны возмещения теоретически равном 
:
Но для вязкой жидкости справедлива формула Стокса (левая часть равенства (9). Поэтому должно быть соблюдено равенство
Из равенства (9) следует, что =1,5. Нижним пределом будем считать единицу, т.е. =1.
В первом приближении за расчетную величину принимаем среднее арифметическое из крайних его значений, т.е. =1,25.
Формулу (7) можно видоизменить введя в нее понятие диаметра нетонущей частицы d0, т.е. такого предельного диаметра шара, при котором последний находится во взвешенном состоянии при заданных условиях для этого динамическое напряжение сдвига может быть определено по формуле (Н.Маковей «Гидравлика бурения», М, Недра, 1986).
где 0 - динамическое напряжение сдвига;
d0 - диаметр нетонущей частицы;
Ш - удельный вес материала шара;
- удельный вес промывочной жидкости;
k - опытный коэффициент (k=1,1÷1,2)
и диаметр зоны возмущения находится по зависимости, известной из гидравлики бурения
где dK - диаметр сечения зоны возмещения перпендикулярной к направлению движения щара;
dШ - диаметр шара;
Ш - удельный вес материала шара;
- удельный вес промывочной жидкости;
- коэффициент пропорциональности;
0 - динамическое напряжение сдвига.
Заменив теперь в (7) dK ее значением из (11) с учетом (10) после несложных алгебраических преобразований можно получить
если принять, что 
то окончательно можно записать
где dШ - диаметр шара;
0 - динамическое напряжение сдвига;
- коэффициент структурной вязкости.
На рис.3 представлены графики изменения функции 
(a) от «a» на основе опытов Шишенко Р.И. и Бакланова Б.Д. (Шишенко Р.И., Бакланов Б.Д Основные положения гидравлики глинистых растворов. АНХ, 7, 1972.) 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.3 кроме кривых (a) нанесены также значения этой функции, определенные на основании опытных данных пересчетом из формулы (16).
При этом для каждого удельного веса шаров определялась величина d0 и для каждого опыта величина 
. Скорость падения частиц «u» находилась из опыта по времени прохождения шариком участка длиной 50 см. По скорости «u» определялось значение (a) и точки наносились на график.
Сравнивая опытные данные с выведенной формулой (16) замечаем, основные точки ложатся достаточно закономерно в промежутке между кривыми для =1 и =1,25, причем следует брать ближе к единице при малых значениях a , если a>2, то =1,25.
Выражая , как функцию a в формуле для (a), получим экспериментальную формулу для этой величины
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. Опытные точки значений (a), полученные обратным пересчетом из опытных скоростей и, достаточно хорошо укладываются на кривую, выраженную формулой (17), в диапазоне изменений показателя, a от 1 до 1,5. После увеличения параметра, a более 3,0 режим обтекания из структурного переходит в турбулентный и по формуле (17) начинаем получать преувеличенные значения скорости падения частиц, так как при этом изменяется закон сопротивления, переходя постепенно к квадратичному, выраженному формулой Риттингера.
Подставляем в формулу (2) значение скорости подъема частиц с из выражения (3) и скорости падения частиц и из равенства (16)
После несложных алгебраических преобразований формулы (18) получаем
где n - удельный вес материала пленки;
t - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;
W - скорость восходящего потока промывочного агента;
dШ - диаметр частицы разрушенной пленки;
0 - динамическое напряжение сдвига;
- коэффициент структурной вязкости
где a=dш/d0 , d0 - диаметр нетонущей частицы;
- коэффициент пропорциональности;
F ф - площадь кольцевого сечения скважины;
- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;
F3 - площадь забоя скважины;
VM - механическая скорость бурения;
в - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (в=1,25÷1,27).
Формула (19) выражает условие выноса на поверхность промывочной жидкости разрушенных частиц пленки.
Алмазная буровая коронка показана на фиг.1 и 2, где схема армирования матрицы пленкой.
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 пленкой 10 на рабочем торце, пленкой 11 по наружной поверхности матрицы и пленкой 12 по внутренней поверхности матрицы. Цилиндрический корпус 2 с наружным диаметром dK 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 dK, выбранному по установленной формуле, цилиндрического корпуса 2 не контактирует наружными подрезными алмазами 7, покрытыми пленкой 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 нем матрица коронки контактирует с породой забоя рабочим торцем с утолщенной защитной пленкой и внутренней поверхностью матрицы с нанесенной защитной пленкой, что обуславливает полную сохранность от износа торцевых алмазов и внутренних подрезных алмазов 8.
При создании осевого и окружного усилий происходит эффективное взаимодействие пленки, содержащей абразивные зерна, на рабочей части алмазосодержащей матрицы с породой забоя, пленка быстро разрушается и благодаря ее удельному весу, выбранному в соответствии с формулой (19) 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 спускоподъемных операциях и благодаря этому способствует повышению эффективности разрушения породы и бурению горных пород.
Изготовление этих коронок производится в ОАО «Тульское НГП» на стандартном технологическом оборудовании и не требует других технических средств. Для защиты коронок от износа на их матрицу наносится защитная пленка из эпоксидного с включением отвердителя и зерен абразива материала, обладающего сильной адгезией к материалу матрицы, большой стойкостью, а также повышенной эластичностью.
Экономический эффект на одну коронку составляет 3000 руб.
Алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую с защитными элементами матрицу с профилем рабочего торца, выполненным по кривой линии, разделенную на сектора промывочными каналами, и цилиндрический корпус с кольцевой проточкой, сообщающейся с промывочными каналами матрицы и промывочными каналами корпуса, отличающаяся тем, что наружный диаметр корпуса коронки определяется из соотношения
dK=KdM,
где dK - наружный диаметр корпуса коронки;
K - опытный коэффициент (K=1,001÷1,005);
dM - диаметр матрицы коронки,
при этом глубина кольцевой проточки и продольных каналов на корпусе более глубины промывочных каналов матрицы, а защитные элементы изготовлены в виде пленки, покрывающей каждый сектор матрицы так, что толщина пленки на рабочем торце матрицы в 1,5÷3,0 раза больше толщины ее по наружной и внутренней боковым поверхностям матрицы, при этом пленка изготовлена из эпоксидного с включением отвердителя и зерен абразива материала, удельный вес которого удовлетворяет соотношению
где n - удельный вес материала пленки;
t - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину;
W - скорость восходящего потока промывочного агента;
dШ - диаметр частицы разрушенной пленки;
0 - динамическое напряжение сдвига;
- коэффициент структурной вязкости;
где a=dш/d0, d0 - диаметр нетонущей частицы;
- коэффициент пропорциональности;
Fф - площадь кольцевого сечения скважины;
- удельный вес промывочной жидкости в кольцевом пространстве;
F3 - площадь забоя скважины;
VM - механическая скорость бурения;
в - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц (в=1,25÷1,27).
