Коронка терморезцовая
Владельцы патента RU 2416709:
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения с отбором так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости. Технический результат - повышение КПД резания горных пород путем локализации в зоне забоя тепла резания для теплового разупрочнения приповерхностного слоя буримых пород. Буровая коронка для бурения скважин в горных породах включает корпус с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора, промывочные каналы и самозатачивающиеся резцы. Сектора выполнены с выпуском, контактирующим при бурении с забоем скважины, герметизирующим его, причем спереди к каждому сектору присоединен выполненный из термостойкого твердого или сверхтвердого инструментального материала самозатачивающийся двухтрехслойный резец с выпуском, обеспечивающим при бурении врезку в забой. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения с отбором так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости.
Известна одинарная буровая алмазно-твердосплавная коронка, состоящая из корпуса с промывочными каналами по числу твердосплавных резцов, алмазных секторов и твердосплавных резцов [1]. Особенностью этой коронки является отсутствие промывочного канала за твердосплавными резцами. Это позволяет нагревать и разупрочнять поверхностный слой породы за счет трения твердосплавных резцов и устанавливать резцы от алмазов на таком расстоянии, чтоб они выравнивали нагрузки на алмазы и защищали первые и последующие ряды алмазных зерен от ударных нагрузок.
Существенными недостатками этой коронки при бурении твердых пород с максимальными нагрузками являются перегрев алмазов и быстрый износ коронки. Увеличение подачи промывочной жидкости не оказывает положительного эффекта, так как вода под торец алмазного сектора практически не попадает. Кроме того, нагрев твердосплавных резцов до 600-800°C приводит также к их интенсивному износу.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является твердосплавная буровая коронка типа СА, состоящая из корпуса с промывочными каналами и припаянных к короночному кольцу самозатачивающихся твердосплавных резцов [2]. Достоинство этой коронки заключается в простоте изготовления и эксплуатации и сравнительно высокой проходке на коронку в породах средней твердости благодаря самозатачивающимся резцам. Существенным недостатком этой коронки является ее низкий КПД. Это вызвано тем, что теплопроводность корпуса коронки составляет порядка 40 Вт/м·К, а породы 5-10 Вт/м·К, и тепло от забоя и корпуса коронки больше уносится промывочной жидкостью со шламом, чем проникает в породу. Таким образом, существенным недостатком вышеприведенной коронки является потеря большого количества тепла через корпус коронки и от забоя скважины. Кроме того, область ее применения ограничивается породами средней крепости.
Таким образом, может быть поставлена задача более эффективного использования тепла трения режущих элементов коронки и бурения скважин в крепких породах.
Поставленная задача решается тем, что в коронке для бурения скважин в твердых горных породах, включающей корпус с короночным кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора, и самозатачивающиеся резцы, сектора выполнены с выпуском, контактирующим при бурении с забоем скважины и герметизирующим его, причем спереди к каждому сектору присоединен выполненный из термостойкого твердого или сверхтвердого инструментального материала самозатачивающийся двух-трехслойный резец с выпуском, обеспечивающим при бурении врезку в забой.
В предлагаемом решении поставленной задачи устраняется доступ промывочной жидкости к нагретой резцом части забоя и потому значительно уменьшается теплоотток из забойной зоны. Но, тем не менее, нагрев корпуса коронки приводит к значительным потерям тепловой энергии через промывочную жидкость. Чтобы уменьшить эти потери, сектора-герметизаторы можно изготовить из материалов с низкой теплопроводностью, например из пористых металлических или керамических материалов, или/и теплоизолировать все теплоотводящие поверхности корпуса коронки термозащитным покрытием нового поколения на основе вакуумированных микросфер кремнезема. Кроме того, наряду с термоизоляцией теплоотток может быть уменьшен за счет выполнения части корпуса коронки выше короночного кольца из прочной стали и более меньшего сечения, чем сечение корпуса коронки.
В этой новой совокупности мы отошли от общепринятого принципа: чем больше охлаждается резец в коронке, тем лучше он работает. Поэтому, чтобы резец работал успешно в новой совокупности, необходимо, чтобы материал резца был более термостойким, чем твердый сплав, например синтетические термостойкие алмазы, кубический нитрид бора. Перспективно применение специальных термостойких инструментальных наноматериалов. Несмотря на кажущуюся простоту, в силу вышесказанного считаем, что предложение обладает новизной и изобретательским уровнем.
Предлагаемая коронка для термофрикционного бурения горных пород имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- снижены потери тепла благодаря уменьшению в два раза количества промывочных каналов, следовательно, и поступающей на забой охлаждающей жидкости;
- теплота трения резцов не уносится охлаждающей жидкостью, а способствует разупрочнению поверхностного слоя породы забоя;
- повышается КПД резания при бурении скважин.
На фиг.1 изображен общий вид буровой коронки для проходки геологоразведочных скважин; на фиг.2 - коронка с секторами с меньшей теплопроводностью, чем корпус коронки; на фиг.3 - коронка с термозащитным покрытием; на фиг.4 - коронка с уменьшенным сечением нижней части корпуса.
Коронка состоит из корпуса 1, секторов-герметизаторов забоя 2 и резцов 3, в корпусе коронки изготовлены промывочные каналы 4 и водосливные отверстия 5. Особенностью коронки является наличие секторов-герметизаторов забоя и присоединение к ним спереди резцов, а сзади соединение с промывочным каналом для охлаждения резцов и очистки забоя скважины.
Коронка работает следующим образом. При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения резцы 3 срезают все неровности забоя и начинают внедряться в породу. Когда резцы внедряться на глубину выступа резцов, сектора-герметизаторы забоя 2 войдут в контакт с породой и выдавят паро-газо-водную смесь от забоя, и в дальнейшем вода не будет охлаждать разогретый поверхностный слой пород забоя скважины. Благодаря этому поверхностный слой разупрочнится, и следующий резец срезает этот слой, которого подхватывает и уносит через каналы 4 промывочная жидкость. Ввиду того, что для транспортировки продуктов разрушения по затрубному пространству требуется гораздо больше воды, чем для стабилизации температуры резцов до рабочего уровня и подъема бурового шлама, некоторое дополнительное количество воды подается в затрубное пространство через сливные отверстия 5.
При работе коронки опережающий выпуск резцов гарантируется тем, что сектор-герметизатор имеет значительно низкую износостойкость, чем сверхтвердые износостойкие резцы.
Так как тепло от забоя передается через сектора-герметизаторы корпусу коронки, то имеет смысл изготавливать сектора из материалов с низкой теплопроводностью, например из пористых металлических или керамических материалов, см. фиг.2. Эффективно также в этом смысле наносить теплостойкие теплозащитные покрытия на основе вакуумированных капсул кремнезема, например изоллата, фиг.3, поз.6. Причем такой краской можно покрывать не только торец коронки, но и все теплоотводящие поверхности коронки. По мере того как будет стираться покрытие, его можно возобновлять новой покраской. Дополнительно к этим мерам по уменьшению теплопотерь через корпус коронки можно нижнюю часть корпуса коронки изготовить с уменьшенным сечением из более прочной марки стали, например из мартенситно-стареющей стали, фиг.4, поз.7. При этом образующиеся по наружному и внутреннему диаметру выемки на нижней части корпуса коронки заполняются теплоизолирующим или теплозащитным и герметизирующим материалом, поз.8.
Источники информации
1. А.с. 1760075 СССР, E21B 10/48. Комбинированная буровая коронка [Текст] / Г.В.Арцимович, В.В.Иванов, В.П.Макшаков, Л.Н.Федоров (СССР). - №4745981/03; заявл. 03.10.89; опубл. 07.09.92, Бюл. №33. - 4 с.: ил.
2. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов [Текст] // Н.В.Соловьев, В.В.Кривошеев, Д.Н.Башкатов и др.; Под общ. ред. Н.В.Соловьева. - М.: Высш. шк., 2007. - 904 с.; ил.
1. Буровая коронка для бурения скважин в горных породах, включающая корпус с короночным кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора, промывочные каналы и самозатачивающиеся резцы, отличающаяся тем, что сектора выполнены с выпуском, контактирующим при бурении с забоем скважины, герметизируя его, причем спереди к каждому сектору присоединен выполненный из термостойкого твердого или сверхтвердого инструментального материала самозатачивающийся двух-трехслойный резец с выпуском, обеспечивающим при бурении врезку в забой.
2. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что сектора-герметизаторы выполнены из термостойкого материала с коэффициентом теплопроводности меньшим, чем теплопроводность корпуса коронки.
3. Буровая коронка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что сектора-герметизаторы выполнены с термозащитным покрытием, содержащим вакуумированные микрокапсулы кремнезема, например, изоллатом.
4. Буровая коронка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что нижняя часть корпуса коронки выполнена с кольцевой выемкой по наружному и внутреннему диаметру с возможностью размещения в этих выемках гидро- и теплоизолирующих элементов, причем нижняя часть корпуса коронки выполнена из материала с высоким пределом прочности, чем корпус коронки, например из мартенситно-стареющей стали.
