Алмазный расширитель

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для калибровки скважин в процессе вращательного бурения, а именно к алмазным расширителям. Технический результат - повышение износостойкости алмазного расширителя. Алмазный расширитель включает корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами. Образующие поверхностей наклонных промывочных каналов выполнены под углом к плоскости торца расширителя, определяемым из соотношения: β=arctg(kQ/2mSRn), где β - угол наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя; k - опытный коэффициент, зависящий от конструкции расширителя и физико-механических свойств буримых горных пород (k=0,6÷0,9); Q - расход промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и расширителем; m - количество промывочных каналов в расширителе; S - площадь поперечного сечения одного промывочного канала расширителя; R - радиус окружности по наружному диаметру расширителя; n - частота вращения бурового снаряда. Кроме того, по высоте алмазосодержащий штабик делится на две части - нижнюю, обращенную к забою скважины, и верхнюю часть, расположенную над ней. Причем нижняя часть армирована алмазами более высокой прочности по сравнению с алмазами, армирующими верхнюю часть аламазосодержащего штабика. 2 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки скважин в процессе вращательного бурения, а именно к алмазным расширителям.

Известен алмазный расширитель, включающий корпус с алмазным вооружением и наклонными промывочными каналами (см. патент Канады №948181, кл. 255-70, опублик. 1974). Недостатками этого расширителя являются: сложная технология изготовления; нерациональные геометрия промывочных каналов и схема армирования алмазосодержащих штабиков, что приводит к повышенному износу расширителя при бурении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является алмазный расширитель, содержащий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами (см. проспект фирмы "Атлас Копко", с.1). Недостатками расширителя являются несовершенство промывочной системы и конструкции алмазного вооружения, что снижает его работоспособность при бурении.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение износостойкости расширителя за счет уменьшения его абразивного износа путем выбора рационального значения угла наклона образующей поверхности промывочного канала к торцу расширителя и рационального распределения алмазов по прочности по высоте штабика.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алмазном расширителе, включающем корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами, образующие поверхностей промывочных каналов выполнены под углом к плоскости торца расширителя, определенным из соотношения:

где β - угол наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя;

k - опытный коэффициент, зависящий от конструкции расширителя и физико-механических свойств буримых горных пород (k=0,6÷0,9);

Q - расход промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и расширителем;

m - количество промывочных каналов в расширителе;

S - площадь поперечного сечения одного промывочного канала расширителя;

R - радиус окружности по наружному диаметру расширителя;

n - частота вращения бурового снаряда,

Кроме того, по высоте алмазосодержащий штабик делится на две части - нижнюю, обращенную к забою скважины, и верхнюю, расположенную над ней, причем нижняя часть армирована алмазами более высокой прочности по сравнению с алмазами, армирующими верхнюю часть штабика.

Проведенными в ТулНИГП наблюдениями за работой стандартных расширителей при бурении скважины было установлено, что происходит интенсивное изнашивание алмазосодержащих штабиков, особенно их нижней части, обращенной к забою, на долю которой приходится основная работа по разрушению зауженной скважины после того, как алмазная коронка потеряет свой номинальный диаметр. Также происходит изнашивание корпуса расширителя за счет абразивного воздействия шлама, скапливающегося между матрицей коронки и штабиками расширителя. Объясняется это недостаточной прочностью алмазов, калибрующих нижнюю часть штабиков расширителя, а также не рациональным углом наклона образующих поверхностей промывочных каналов к плоскости торца расширителя.

Благодаря тому, что в алмазном расширителе образующие поверхности промывочных каналов выполнены под углом к плоскости торца расширителя, определяемым из соотношения:

где β - угол наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя;

k - коэффициент, зависящий от конструкции расширителя и физико-механических свойств буримых горных пород (k=0,6÷0,9);

Q - расход промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважин и расширителем;

m - количество промывочных каналов в расширителе;

S - площадь поперечного сечения одного промывочного канала расширителя;

R - радиус окружности по наружному диаметру расширителя;

n - частота вращения бурового снаряда,

обеспечивается выбор рационального угла наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя.

Из гидравлики бурения известно, что для обеспечения полного выноса частиц абразивного шлама из зоны работы алмазосодержащих штабиков расширителя необходимо соблюдение условия

где V - скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и штабиками расширителя,

с - минимально допустимая скорость подъема частиц шлама.

Проводимыми в ТулНИГП исследованиями установлена зависимость для определения необходимой скорости восходящего потока жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и штабиками расширителя

где V - скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и расширителем;

k - опытный коэффициент, зависящий от конструкции расширителя и физико-механических свойств буримых пород (k=0,6÷0,9);

D - наружный диаметр расширителя;

n - частота вращения бурового снаряда;

β - угол наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя.

Заметим, что D=2R,

где R - радиус окружности по наружному диаметру расширителя;

Q - расход промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и расширителем;

m - количество промывочных каналов в расширителе;

S - площадь поперечного сечения одного промывочного канала расширителя.

Подставляем выражения для D и V в первоначальную формулу для V и после преобразования получаем

Из этого выражения находим

В соответствии с определением обратной тригонометрической функции из последней формулы имеем выражение для определения рационального значения угла наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя

Эта зависимость позволяет определить значение угла β, при котором формируется выгодный турбулентный режим движения промывочной жидкости.

Вследствие того, что по высоте алмазосодержащий штабик делится на две части - нижнюю, обращенную к забою скважины, и верхнюю часть, расположенную над ней, причем нижняя часть армирована алмазами более высокой прочности по сравнению с алмазами, армирующими верхнюю часть штабика, достигается усиление алмазного вооружения наиболее нагруженных нижних частей штабиков расширителя, а следовательно, и повышение износостойкости расширителя в целом.

На фиг.1 представлен общий вид алмазного расширителя в целом, а на фиг.2 - фрагмент алмазосодержащего штабика расширителя с увеличением его.

Алмазный расширитель состоит из корпуса 1 и алмазосодержащих штабиков 2, разделенных промывочными каналами 3, образующие поверхностей которых выполнены под углом β. Алмазосодержащий штабик 2 делится на верхнюю часть с алмазами 4 и нижнюю часть с алмазами 5, причем алмазы 5 имеют более высокую прочность, чем алмазы 4.

Принцип работы предложенного расширителя заключается в следующем.

В процессе бурения алмазным расширителем под действием на корпус 1 осевой нагрузки и вращения осуществляется калибровка скважины штабиками 2, образовавшийся при этом шлам подхватывается турбулентным потоком благодаря рациональному углу наклона образующей поверхности промывочного канала 3 к плоскости торца расширителя промывочной жидкости и с высокой скоростью эффективно выносится в кольцевой зазор между корпусом расширителя и скважины, вследствие чего уменьшается износ корпуса расширителя.

Поскольку наиболее нагруженные части алмазосодержащих штабиков имеют усиленное алмазное вооружение, износ расширителя происходит равномерно по всей калибрующей поверхности, что обуславливает наряду с улучшением очистки шлама, повышение износостойкости расширителя в целом.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении износостойкости алмазного расширителя.

Экономический эффект на один алмазный расширитель составляет 1000 рублей.

Алмазный расширитель, включающий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами, отличающийся тем, что образующие поверхностей наклонных промывочных каналов выполнены под углом к плоскости торца расширителя, определяемым из соотношения:

где β - угол наклона образующей поверхности промывочного канала к плоскости торца расширителя;

k - опытный коэффициент, зависящий от конструкции расширителя и физико-механических свойств буримых горных пород (k=0,6÷0,9);

Q - расход промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и расширителем;

m - количество промывочных каналов в расширителе;

S - площадь поперечного сечения одного промывочного канала расширителя;

R - радиус окружности по наружному диаметру расширителя;

n - частота вращения бурового снаряда,

и, кроме того, по высоте алмазосодержащий штабик делится на две части - нижнюю, обращенную к забою скважины, и верхнюю часть, расположенную над ней, причем нижняя часть армирована алмазами более высокой прочности по сравнению с алмазами, армирующими верхнюю часть алмазосодержащего штабика.