Устройство для бурения скважин

 

Использование: бурение скважин колонковым способом алмазными коронками. Сущность изобретения: устройство включает колонковую трубу и присоединенные к ней переходник и алмазную коронку, Колонковая труба выполнена из верхней и нижней частей, соединенных между собой гибким валом с перекладиной, причем свободный конец вала соединен с переходником, а перекладина - с нижней частью колонковой трубы. Между торцовыми поверхностями нижней и верхней частей колонковой трубы размещен узел качения, обеспечивающий работу коронки с крутильными колебаниями . Это позволяет исключить заполирования алмазов при бурении по малоабразивным породам. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s Е 21 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4749652/03 (22) 26.09,89 (46) 07.09.92. Бюл, ¹ 33 (71) Московский геологоразведочный институт им, Серго Орджоникидзе (72) Б, А. Новожилов, Г. А. Воробьев, А.Е.Козловский, Г. С. Садыков и М, Ю. Богачев (56) Корнилов Н. И..и др. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин, М., Недра, 1979, с. 131 — 140. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН (57) Использование: бурение скважин колонковым способом алмазными коронками.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к устройствам для бурения геологоразведочных скважин с отбором керна при разведке месторождений на твердые полезные ископаемые и воду.

Известно устройство для бурения скважин, включающее колонковую трубу и присоединенные к ней алмазный породоразрушающий инструмент и переходник (см. Корнилов Н. И. и др. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин. М., Недра, 1979, с, 244, рис. IV, 30, б).

Недостатком вышеуказанного устройства является заполирование алмазной коронки в процессе бурения по малоабразивным породам. Заполирование коронки приводит к снижению эффективности бурения, преждевременному прекращению рейса и извлечению колонкового набора на поверхность для заточки алмазной коронки.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеприведенных недостатSU, 1760068 А1

Сущность изобретения: устройство включает колонковую трубу и присоединенные к ней переходник и алмазную коронку, Колонковая труба выполнена из верхней и нижней частей, соединенных между собой гибким валом с перекладиной, причем свободный конец вала соединен с переходником, а перекладина — с нижней частью колонковой трубы. Между торцовыми поверхностями нижней и верхней частей колонковой трубы размещен узел качения, обеспечивающий работу коронки с крутильными колебаниями. Это позволяет исключить заполирования алмазов при бурении по малоабразивным породам, 5 ил. ков, а именно повышение эффективности

его работы при бурении по малоабразивным породам эа счет заточки заполированных алмазов. Указанная цель достигается тем, . что устройство для бурения скважин, включающее колонковую трубу и присоединенные к ней алмазный породоразрушающий инструмент и переходник, согласно изобретению, снабжено узлом качения и гибким валом с перекладиной, а колонковая труба выполнена иэ двух частей, связанных между собой посредством гибкого вала, перекладина которого жестко соединена с нижней частью колонковой трубы, а свободный конец вала — с переходником, при этом узел качения размещен между торцовыми поверхностями верхней и нижней частей колонковой трубы..

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе бурения скважин рабочий торец инструмента путем микрорезания разрушает горную породу, как показывает практика бурения скважин, при этом происходит заполирование алмазов, осо1760068 бенно при бурении неабразивных пород, которое обусловлено диффузией в горную породу, входягцую в состав алмаза атомов углерода и образованием на алмазе карбидного слоя, по твердости значительно превышающего твердость горных пород в массиве.

Заполирование алмазов снижает эффективность процесса бурения и приводит к удорожанию буровых работ.

Исследования, проведенные с помощью скоростной киносьемки, работы алмазного инструмента при бурении специального блока из оптического стекла по своим свойствам к горным породам ИШlX категории по буримости показали, что в зависимости от параметров режима бурения могут быть выделены три режима вращения алмазного инструмента, которые характеризуются зависимостью — = f(t):

Иб

И, 1. Режим равномерного вращения—

Й1г (— =1);

1 Иб

И

2. Режим вращения с крутильными колебаниями (без остановок) — R1z (— >1); г иб

Ис

3. Режим вращения с крутильными колебаниями (с остановками) — R1z (— О); з иб где иб/и — безразмерная угловая скорость вращения; иб — угловая скорость коронки; и — задаваемая скорость вращения.

Изобретение поясняется фиг, 1 — 5, Ка основании полученных результатов исследований построена диаграмма областей устойчивости различных режимов вращения алмазного инструмента в координатах и-р (см. фиг. 1), где n — частота вращения снаряда, об/мин; P — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, даН.

Область существования режима вращения В1г характеризуется равномерным вра1 щением алмазного инструмента вокруг оси скважины, без остановок и ударов. Обеспечение равномерности вращения позволяет при неизменных параметрах режима бурения увеличить механическую скорость, В этом режиме величины иб и и равны, поэтому — = 1.

Иб

И

Область режима вращения Я1г является весьма узкой и характеризуется высокочастотными крутильными колебаниями, падением механической скорости бурения и повышенным износом матрицы породораэ50

55 бурильных труб и вращающего момента.

При этом увеличивается длина полуволны бурильных труб и инструмент с ударом соприкасается с забоем скважины. Такие удары о забой происходят с частотой до

200-400 Гц, Ударные нагрузки с высокой частотой обнажать новые режущие поверхности на алмазах без изменения их свойств.

Ка основании результатов исследований по работе алмазных коронок в различных режимах ее вращения получены зависимости коэффициента абразивности пары "порода-коронка": КАЛАЧ-f(W) (см, фиг, 2), рушающего инструмента, В этом режиме угловая скорость вращения инструмента ниже угловой скорости задаваемой вращателем станка. Происходит некоторое

5 торможение вращения инструмента и его скорение. а это ведет к образованию вибрации на инструменте на остановки в этом режиме отсутствуют, поэтому

Иб

10 0+

Область режима вращения й1г характеризуется крутильными колебаниями с остановками и ударами инструмента о забой, повышенным износом инструмента и увели15 чениями механической скорости бурения. В этом режиме наблюдаются ударные нагрузки на инструмент из-за его остановок на забое. Остановки алмазного инструмента обусловлены скоплением спресованного

20 шлама под торцом матрицы и увеличением. тормозного момента. В момент остановки инструмента угловая скорость иб--0, а угловая скорость и равна заданной скорости вращателя. После остановки алмазный инс25 трумент вращается с ускорением до определенного момента и снова останавливается.

Практически время остановок и время вращения алмазного инструмента приблизительно равны. Поэтому величина отношения

30 — >0.

Ис

В процессе бурения скважины на инструмент передается осевая нагрузка и вращающий момент. Под действием осевой

35 нагрузки колонна бурильных труб теряет устойчивость и принимает волнообразную форму, В момент остановки алмазного инструмента постоянно передаваемый вращающий момент продолжает скручивать

40 бурильные трубы. При этом происходит уменьшение длины полуволны бурильных труб, а зто ведет к сокращению длины колонны и к отрыву инструмента от забоя. При отрыве инструмента от забоя уменьшается сила трения на забое и инструмент приобретает ускорение за счет упругих свойств

1760068

f000 зраница рсУл юю1

/ми и. (ooo Риг. где Кд — коэффициент абразивности;

W — удельная объемная работа разрушения.

Исследования показывают, что коэффициент абразивности Кд возрастает при работе коронки в режиме R>z, т.е. в режиме з

R>z происходит заточка алмазов с образованием новых режущих поверхностей (см., фиг. 3). Это подтверждается увеличением механической скорости бурения в режиме вращения алмазного инструмента Rig (см. фиг. 4).

На фиг, 1 показана диаграмма областей устойчивости различных режимов вращения алмазного инструмента; на фиг. 2 зависимость коэффициента абразивности пары

"породе=коронка", на фиг, 3 вид притупленного алмазного зерна в матрице коронки; на фиг. 4 зависимость механической скорости бурения от изменения осевой нагрузки; а на фиг. 5 устройство для бурения скважин.

Устройство для бурения скважин состоит иэ переходника 1, присоединенного к колонковой трубе 2, выполненной из верхней 3 и нижней 4 частей, между торцовыми поверхностями которых размещен узел качения 5 и гибкого вала 6 с перекладиной 7.

Верхняя 3 и нижняя 4 части колонковой трубы связаны между собой посредством гибкого вала 6, перекладина 7 которого жестко соединена с нижней частью 4 колонковой трубы 2, а свободный конец вала 6 — с переходником 1, при этом нижняя часть 4 колонковой трубы 2 снабжена алмазным породоразрушающим инструментом 8, При постановке колонкового набора на забой на алмазный породоразрушающий инструмент 8 передают вращающий момент, осевую нагрузку и промывочный

Р ЗОМ агент. Во время бурения скважины рабочий торец инструмента 8 путем микрорезания разрушает породу с образованием столбика керна. Осевая нагрузка передается на инст5 румент 8 через узел качения 5, а вращающий момент передается через гибкий вал 6, перекладина 7 которого жестко соединена с нижней частью 4 колонковой трубы 2, а свободный конец вала 6 — с переходником 1.

10 Передача вращающего момента на алмазный породоразрушающий инструмент 8 через гибкий вал 6 позволяет вводить коронку

8 в режим вращения с крутильными колебаниями c частотой до 200 — 400 Гц, Работа

15 породоразрушающего инструмента с крутильными колебаниями позволяет постоянно образовывать на алмазах новые режущие поверхности при бурении в малоабразивных пород х и разрушать их в оптимальном

20 режиме беэ эаполирования алмазов.

Формула изобретения

Устройство для бурения скважин, включающее колонковую трубу и присоединен25 ные к ней алмазный породоразрушающий инструмент и переходник, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения эффективности его работы при бурении по малоабразивным породам за счет заточки

30. заполированных алмазов, устройство снабжено узлом качения и гибким валом с перекладиной, а колонковая труба выполнена из двух частей, связанных между собой гибким валом, перекладина которого жестко соеди35 нена с нижней частью колонковой трубы, а свободный конец вала — с переходником, при этом узел качения размещен междуторцовыми поверхностями верхней и нижней частей колонковой трубы, 1760068

3 А с2

A, W— дя м чо

9Риг 2

1760068

Составитель Н. Хромин

Техред M.Mîðãåíòàë

Редактор

Корректор Н. Гунько

Производственно-издательский комбинат "Патент" У тент, r, жгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 3165 Тираж .ВНИИПИ Госуда ственног к

Подписное осударственного комитета по изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5