Кольцевая буровая коронка

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к буровым инструментам, и может использоваться в боковых сверлящих керноотборниках для отбора образцов горных пород из стенок нефтяных и газовых скважин. Кольцевая буровая коронка содержит корпус с присоединительной резьбой на одном конце и с алмазно-твердосплавными резцами в торце корпуса. Алмазно-твердосплавные резцы в виде цилиндрических пластин впаяны в торце в пазах под углом 18-22° к оси корпуса коронки, изготовленного в виде полого усеченного конуса с углом, равным 5-8°, подъема образующей конуса к оси корпуса коронки. Корпус коронки выполнен с внутренним диаметром Д₁ и наружным диаметром Д. Между указанными резцами исполнена выборка, выполненная с разными радиусами: на внутреннем диаметре Д₁ – с радиусом R₁ и на наружном диаметре Д – с радиусом R₂, причем радиус R₁ выбирается из диапазона 5-10 мм, a R₂ – из диапазона 10-30 мм. Исполненная выборка имеет форму сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h, изменяемой в диапазоне от 2,5 до 7 мм. Повышается эффективность процесса разбуривания породы за счет интенсивного процесса промывки коронки от шлама путем конструктивного изменения формы промывочных каналов. 9 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области бурения скважин, а именно к буровым инструментам и может использоваться в боковых сверлящих керноотборниках для отбора образцов горных пород из стенок нефтяных и газовых скважин.

Известна кольцевая буровая коронка, содержащая корпус с присоединительной резьбой, разделенный промывочными каналами на секторы, которые с торцевой поверхности снабжены резцами, армированными алмазно-твердосплавными пластинами (пат. РФ №2359103, Е21В 10/48).

Недостаток известной коронки заключается в том, что в ней не предусмотрены конструктивные элементы в промывочных каналах для более эффективного выноса разбуриваемого шлама из зоны резания породы.

Известна алмазная буровая коронка (Авт. Свид. №594291, Е21В 9/36), включающая корпус и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными каналами на сектора с резцами, в которой для улучшения очистки забоя от шлама, соотношение длины сектора к длине промывочного канала выбрано 3:1, при этом количество секторов выбрано в соответствии с соотношением: где: n - количество секторов, D - диаметр коронки, мм, а- 19±1,5 мм.

Недостаток известной конструкции заключается в том, что для улучшения очистки забоя от шлама, автор предлагает увеличить длину промывочных каналов без учета формы промывочных каналов, создающих эффект инжекции (линейное ускорение) течения жидкости во время вращения коронки при бурении.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности процесса разбуривания горной породы за счет интенсивного процесса промывки коронки от шлама путем конструктивного изменения формы промывочных каналов.

Указанная задача решается тем, что в кольцевой буровой коронке, содержащей корпус с присоединительной резьбой на одном конце и с алмазно-твердосплавными резцами в торце корпуса, в отличие от известного, алмазно-твердосплавные резцы в виде цилиндрических пластин впаяны в торце в пазах под углом 18-22 град, к оси корпуса коронки, изготовленного в виде полого усеченного конуса с углом С, равным 5-8 град, подъема образующей конуса к оси корпуса, который выполнен с внутренним диаметром Д₁ и наружным диаметром Д, при этом между указанными резцами исполнена выборка, выполненная с разными радиусами - на внутреннем диаметре Д₁ - с радиусом R₁ и на наружном диаметре Д - с радиусом R₂, причем радиус R₁ выбирается из диапазона: 5-10 мм, a R₂ - из диапазона 10-30 мм, кроме того, исполненная выборка имеет форму конусообразных сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h, изменяемой в диапазоне от 2,5 до 7 мм.

На фиг. 1 изображен общий вид кольцевой буровой коронки с резцами и выборками.

На фиг. 2 показан разрез корпуса коронки с с внутренним диаметром Д₁ и наружным диаметром Д.

На фиг. 3 представлена форма выборки с глубиной h.

На фиг. 4 показан вид сверху кольцевой буровой коронки с выборками без резцов.

На фиг. 5 изображена форма выборки в форме конусообразных сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h₁ и h₂.

На фиг. 6 показаны алмазно-твердосплавные резцы в виде цилиндрических пластин, которые впаяны в торце коронки под углом 18-22 град, к оси корпуса коронки.

На фиг. 7 изображен режущий инструмент в виде «ласточкиного хвоста» с односторонним углом α 10-40 град, для выполнения выборки.

На фиг. 8 показаны: R₁ - расстояние от оси вращения режущего инструмента до образующей сегмента конуса L₁ соответственно к Д₁.

На фиг. 9 показаны: R₂ - расстояние от оси 9 вращения режущего инструмента 10 до образующей сегмента конуса L₂ соответственно к Д.

Коронка состоит из корпуса 1 и алмазно-твердосплавных резцов 2 (фиг. 1).

Корпус коронки 1 выполнен в виде полого усеченного конуса с углом С, равным 5-8 град, подъема конусной образующей 3 к оси 4. (фиг. 2). Алмазно-твердосплавные резцы 2 в виде цилиндрических пластин впаяны в торце 5 в пазах 6, под углом 18-22 град, к оси 4 корпуса коронки 1 (фиг. 6, фиг. 1). Со второго торца выполнена резьба 7 для крепления к приводу (привод не показан) Корпус коронки 1 выполнен с внутренним диаметром Д₁ и наружным диаметром Д. Наружный диаметр Д зависит от угла подъема С. Внутренний диаметр Д₁ задается конструктивно и зависит от диаметра отбираемого керна и диаметра резцов 2 (фиг. 2).

Между резцами 2 исполнена выборка 8, выполненная с разными радиусами: на внутреннем диаметре Д₁ - с радиусом R₁ и на наружном диаметре Д - с радиусом R₂ (R₁<R₂). Выборка 8 имеет форму конусообразных сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h₁ и h₂, с наклоном Л к периферии (к радиусу Д), как показано на фиг. 5, и предназначена для выноса разбуриваемого шлама. Радиус R₁ выбирается из диапазона: 5-10 мм, a R₂ - из диапазона 10-30 мм.

На глубину выборки влияет расстояние между резцами 2. Глубина выборки изменяется в диапазоне от 2,5 до 7 мм.

На фиг. 3 представлена форма выборки 8 с глубиной h. Выборки 8 между резцами 2 выполнены с помощью режущего инструмента, который представлен на фиг. 7.

Режущий инструмент имеет форму фрезы 9 в виде «ласточкиного хвоста» с односторонним углом α 10-40 град.

На фиг. 5 показан угол β, (составляющий 65-90 град.), наклона оси 10 фрезы к оси 4 корпуса 1 коронки. Угол α (10-40 град.)- угол режущего инструмента.

Угол α, угол β и угол С зависят от диаметров Д, Д₁, n количества и диаметра резцов 2.

На фиг. 8 показаны: R₁ - расстояние от оси 9 вращения режущего инструмента 10 до образующей сегмента конуса L₁ соответственно к Д₁.

На фиг. 9 - R₂ - расстояние от оси 9 вращения режущего инструмента 10 до образующей сегмента конуса L₂ соответственно к Д.

На фиг. 8 и 9 ось 10 режущего инструмента 9 спроецирована в точку O₁ и О₂ на оси 4.

Поскольку выборка 8 представляет собой углубление в виде частей конусообразных секторов развитых к периферии, выполненных с разным радиусом R₁ и R₂, то площади этих сегментов будут разными.

Исходя из формулы, площадь сегмента равна:

где: R - радиус, z - хорда, L - длинна дуги, h - глубина выборки.

На фиг. 8 площадь сегмента с глубиной h₁ будет равна:

где: R₁ - радиус, z₁ - хорда, L₁ - длинна дуги, h₁ - глубина.

На фиг. 9 площадь сегмента с глубиной h₂2 будет равна:

где: R₂ - радиус, z₂ - хорда, L₂ - длинна дуги, h₂ - глубина.

При этом R₂>R₁, z₂>z1, h₂>h₁ L₂>L₁, следовательно S₂>S₁ S₂-S₁=ΔS (10%-30%), полученная разность площадей и создает при вращении коронки эффект инжекции.

Кольцевая буровая коронка работает следующим образом.

Буровая коронка, присоединенная с помощью резьбы 7 к приводу, например, бокового сверлящего керноотборника (не показан), вращается и при соприкосновении с породой скважины резцы 2 разрушают ее с образованием шлама, который выносится из зоны резания через промывочные каналы в виде выборки 8.

Выборки 8 между резцами 2 выполнены с помощью режущего инструмента, который представлен на фиг. 7.

Режущий инструмент имеет форму фрезы 9 в виде «ласточкиного хвоста» с односторонним углом α=10-40 град. Во время выполнения выборки 8 фреза 9 устанавливается под углом β, (составляющий 65-90 град., наклона оси 10 фрезы к оси 4 корпуса 1 коронки) к поверхности между резцами 2 и производится вырезывание сегментов с разными радиусами: на внутреннем диаметре Д₁ - с радиусом R₁ и на наружном диаметре Д - с радиусом R₂ (R₁<R₂) (фиг. 5). Конструктивно радиус R₁ выбирается из диапазона: 5 - 10 мм, a R₂ - из диапазона 10-30 мм.

Выборка 8 имеет форму конусообразных сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h₁ и h₂, с наклоном Л к периферии, (угол наклона Л - переменная величина, зависящая от улов α и β и возникает в результате выполнения выборки 8 с разными радиусами R₁<R₂), как показано на фиг. 5.

На глубину выборки 8 влияет расстояние между резцами 2. Глубина выборки изменяется в диапазоне от 2,5 до 7 мм.

Поскольку выборка 8 представляет собой углубление в виде частей конусообразных секторов развитых к периферии, выполненных с разным радиусом R₁ и R₂, то площади этих сегментов будут разными.

На фиг. 8 площадь сегмента с глубиной h₁ будет равна:S₁=R₁(L₁-z₁)+z₁* h₁/2, где: R₁-радиус, z₁- хорда, L₁- длинна дуги, h₁- глубина.

На фиг. 9 площадь сегмента с глубиной h ₂/2 будет равна: S₂=R₂(L₂-z₂)+z₂* h₂/2, где: R2-радиус, z₂- хорда, L₂- длинна дуги, h₂- глубина.

При этом R₂>R₁, z₂>z1, h₂>h₁ L₂>L₁, следовательно S₂>S₁ S₂-S₁=Δ S (10%-30%), полученная разность площадей и создает при вращении коронки эффект инжекции.

Инжекция-дополнительный приток жидкости во время вращения коронки при бурении объясняется действием разности давлений в секторах, выполненных с разными радиусами R₁ и R₂, в соответствии формуле Пуазейля: скорость протекания жидкости по трубе -V зависит от разности давлений P₁ - Р₂ на концах трубы, ее длины L, радиуса R и вязкости жидкости.

а в центре трубы:

В том случае, когда подвижная система (жидкость) не только движется поступательно, но и вращается, добавляются еще центробежные силы инерции и сила Кориолиса.

В соответствии с известной формулой, центробежная сила: F_цб=m ⋅ ω²⋅r, здесь r - радиус - вектор, направленный перпендикулярно от оси вращения к материальной точке, и характеризующий положение тела относительно этой оси, m - масса, ω² - скорость.

В соответствии с известной формулой, силы инерции Кориолиса: F_кор=2m[v, ω].

Исходя из формулы Кориолиса, где r1=Д₁/2, а r2=Д ₂/2, при Д ₂/2>Д₁/2, следует, что скорость на периферии будет возрастать. По формуле Пуазейля скорость потока жидкости меняется в зависимости от изменения сечения в канале (см. расчет площадей по формулам 2 и 3), следовательно на выборке 8 возникает зона пониженного давления, что вызывает дополнительные приток жидкости (эффект инжекции).

В процессе отбора керна разрушенная порода за счет центробежной силы выносится на периферию за пределы коронки через выборки 8, которые выполнены в виде сектора конуса с большем диаметром к периферии, отсюда следует площадь тела, выбранного на внутреннем диаметре Д₁ с радиусом R₁ меньше площади тела, выбранного на диаметре Д с радиусом R₂, что при вращении позволяет создавать эффект инжекции, за счет чего увеличивается скорость выноса разрушенной породы, при этом наклон плоскости Л не позволяет удерживать последнюю, что существенно улучшает работу отбора керна.

Совокупность указанных признаков отличается от признаков известных аналогов.

Кольцевая буровая коронка, содержащая корпус с присоединительной резьбой на одном конце и с алмазно-твердосплавными резцами в торце корпуса, отличающаяся тем, что алмазно-твердосплавные резцы в виде цилиндрических пластин впаяны в торце в пазах под углом 18-22° к оси корпуса коронки, изготовленного в виде полого усеченного конуса с углом С, равным 5-8°, подъема образующей конуса к оси корпуса коронки, который выполнен с внутренним диаметром Д₁ и наружным диаметром Д, при этом между указанными резцами исполнена выборка, выполненная с разными радиусами: на внутреннем диаметре Д₁ – с радиусом R₁ и на наружном диаметре Д – с радиусом R₂, причем радиус R₁ выбирается из диапазона 5-10 мм, a R₂ – из диапазона 10-30 мм, кроме того, исполненная выборка имеет форму сегментов с увеличивающейся к периферии глубиной h, изменяемой в диапазоне от 2,5 до 7 мм.