RU225902U1 - Алмазный расширитель - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки скважин в процессе вращательного бурения. Алмазный расширитель включает корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами и делящиеся по высоте на две части – нижнюю, обращенную к забою, и верхнюю, расположенную над нею. Каждый алмазосодержащий штабик полностью армирован алмазами одного качества и по высоте разделен на нижнюю и верхнюю части в пропорции (0,8-0,7):(0,2-0,3). Причем нижняя часть штабиков имеет большую концентрацию алмазов, чем верхняя, а диаметр алмазного зерна определяется по определенной зависимости. Обеспечивается повышение износостойкости расширителя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки скважин в процессе вращательного бурения.

Уровень техники.

Известен алмазный расширитель, включающий корпус с алмазным вооружением и наклонными промывочными каналами (патент Канады №948181, кл.255-70. опубликование, 1974 г.).

Недостатком этого расширителя является несовершенство конструкции алмазного вооружения и сложная технология изготовления.

Известен также алмазный расширитель, содержащий корпус и алмазосодержащие штабики с коническим заходом, разделенные промывочными каналами (Справочник по бурению геологоразведочных скважин. - СПб. ООО «Недра», 2000. - 712 с.).

Недостатком этого расширителя является несовершенная схема алмазного вооружения с нерациональным выбором алмазов по зернистости, что обуславливает снижение стойкости инструмента при бурении.

Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому результату к предлагаемому является алмазный расширитель (прототип), включающий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами, у которых образующие поверхностей выполнены под углом к плоскости торца расширителя, определенного по найденной формуле, а по высоте алмазные штабики делятся на две части, причем нижняя часть армирована алмазами более высокой прочности по сравнению с алмазами, армирующими верхнюю часть (МПК Е21В 7/28 (2006.01), Е21В 10/ 26 (2006.01) патент №2337 228 С2, 01.12.2005).

Недостатками известного расширителя являются высокая стоимость, вызванная необходимостью использования дорогостоящих алмазов более высокой прочности, недостаточная концентрация алмазов на участках повышенного износа штабиков расширителя и несоответствие их диаметра физико-механическим свойствам буримых пород, а также отсутствие конического захода у штабиков расширителя, что снижает его работоспособность.

Раскрытие сущности полезной модели. Предлагаемое техническое решение направлено на повышение стойкости алмазного расширителя и механической скорости бурения за счет применения рациональной концентрации алмазов одного качества менее дефицитных и соответствия их диаметра физико-механическим свойствам пород и выполнения штабиков с наклоном нижней части.

Поставленная задача решается тем, что в алмазном расширителе, включающем корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами и делящиеся по высоте на две части – нижнюю, обращенную к забою, и верхнюю часть, расположенную над нею, алмазосодержащий штабик полностью армируется алмазами одного качества и по высоте делится на нижнюю и верхнюю части в пропорции (0.8-0.7):(0.2-0.3), причем нижняя часть имеет большую концентрацию алмазов, чем его верхняя часть, при этом диаметр алмазного зерна определяется по зависимости

D=kF/πph,

где D - диаметр алмазного зерна, м;

k - коэффициент сопротивления движению алмаза (k=1.05-1.15);

F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

р - предел текучести породы по штампу, МПа;

h - глубина внедрения алмаза, м;

а нижняя часть штабика выполнена с наклоном под углом к оси расширителя, определяемого из соотношения

β=mπ/2,

где β - угол наклона нижней части штабика к оси расширителя, рад;

m - опытный коэффициент, зависящий от твердости и абразивности горных пород (m=0.18-0.22).

Благодаря тому, что алмазосодержащий штабик полностью армируется алмазами одного качества и по высоте делится на нижнюю и верхнюю части в пропорции (0.8-0.7):(0.2-0.3), причем нижняя часть имеет большую концентрацию алмазов, чем его верхняя часть значительно повышается износостойкость расширителя. Наблюдениями за работой расширителей при бурении скважин установлено, что основная работа по калибровке скважины расширителем производится нижней частью алмазосодержащих штабиков. Поэтому эта часть штабиков имеет максимальный износ из-за не рациональной концентрации алмазов.

Вследствие того, что диаметр алмазного зерна определяется по зависимости

D=kF/πph,

где D - диаметр алмазного зерна, м;

k - коэффициент сопротивления движению алмазного зерна (k=1.05-1.15);

F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

р - предел текучести породы, МПа;

h - глубина внедрения алмаза, м,

повышается эффективность разрушения горной породы алмазом, т.к. диаметр алмаза соответствует физико-механическим свойствам буримой породы. Вследствие этого возрастает механическая скорость бурения и повышается износостойкость алмазного расширителя.

Из теории разрушения горных пород известно (Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин. Справочник. Н.И. Корнилов и др.. М., Недра, 1979, 359 с.) выражение для определения нагрузки на алмазное зерно при его внедрении в горную породу

где F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

k - коэффициент сопротивления движению алмазного зерна (k=1/05-1/15);

D - диаметр алмазного зерна, м;

h - глубина внедрения алмаза, м;

р_ш - твердость горной породы по штампу, МПа,

Принимая во внимание, что твердость горной породы по штампу при внедрении алмаза равна текучести породы р, запишем зависимость (1) в виде

где F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

D - диаметр алмазного зерна, м;

h - глубина внедрения алмаза, м;

р - предел текучести породы, МПа;

k - коэффициент сопротивления движению алмазного зерна (k=1.05-1.15); и решая уравнение (2) относительно D находим

где D - диаметр алмазного зерна, м;

k - коэффициент сопротивления движению алмазного зерна (k=1.05-1.15);

F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

h - глубина внедрения алмаза, м;

р - предел текучести породы, МПа;

k - коэффициент сопротивления движению алмазного зерна (К=1.05-1.15);

Зависимость (3) позволяет определить значение диаметра алмазного зерна D, при котором обеспечивается эффективное разрушение горной породы и рост механической скорости бурения при работе алмазного расширителя в скважине. При этом глубина внедрения алмаза h может быть определена по методике, изложенной в монографий Соловьев Н.В., Башкатов Д.Н., Горшков Л.К., Третьяк А.Я., Будюков Ю.Е., Спирин В.И., Власюк В.И., Богданов Р.К. и др. Геологоразведочный породоразрушающий инструмент на основе алмазов и сверхтвердых материалов, Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. - 334 с.).

Благодаря тому, что нижняя часть штабика выполнена с наклоном к оси расширителя под углом, определяемым из соотношения

где β - угол наклона нижней части штабика к оси расширителя, рад;

m - опытный коэффициент, зависящий от твердости и абразивности горных пород (m=0.18-0.22), облегчаются условия работы алмазов алмазосодержащего штабика по калибровке алмазным расширителем зауженной скважины после того как алмазная коронка потеряет свой номинальный диаметр, а также стабилизации работы колонкового набора.

Краткое описание чертежа.

На фиг. 1 представлен общий вид алмазного расширителя с разрезом его четверти вдоль продольной оси. Алмазный расширитель содержит стальной корпус 1, алмазосодержащие с алмазами одного качества 7 штабики 2 с наклоном 3 под углом β, разделенные наклонными промывочными каналами 4 и делящиеся по высоте на две части - нижнюю а, обращенную к забою, и верхнюю часть б, расположенную над нею. В нижней части корпус 1 содержит внутреннюю резьбу 5 для соединения с буровой коронкой, а в верхней части наружную резьбу 6 для соединения с буровым снарядом.

Принцип работы предложенного расширителя заключается в следующем.

В процессе бурения алмазным расширителем под действием на корпус 1 осевой нагрузки и вращения осуществляется калибровка скважины алмазосодержащими с алмазами 7, оптимального диаметра, соответствующего физико-механическим свойствам буримых пород, штабиками 2 с наклоном 3 под углом β, способствующему плавному заходу работающего расширителя в зауженную часть скважины, а образовавшийся буровой шлам подхватывается турбулентным потоком промывочной жидкости в наклонных каналах 4 и выносится в кольцевой зазор между корпусом расширителя и стенками скважины, при этом основная нагрузка при формировании диаметрального размера скважины приходится на нижнюю часть а штабиков, имеющую большую концентрацию алмазов, чем верхняя часть б, вследствие этого происходит равномерный износ расширителя по всей его рабочей поверхности, что обуславливает повышенную износостойкость алмазного расширителя.

Осуществление полезной модели.

Заявленное техническое решение может быть осуществлено при помощи описанных в заявке средств с применением стандартного оборудования, выпускаемого в РФ.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в значительном повышении износостойкости алмазного расширителя на основе применения рациональной концентрации алмазов в штабике их оптимального диаметра и снижении его себестоимости за счет использования в обеих частях штабика алмазов одного качества.

Экономический эффект на один расширитель составляет 1400 руб.

Claims (11)

1. Алмазный расширитель, включающий корпус и алмазосодержащие штабики, разделенные наклонными промывочными каналами и делящиеся по высоте на две части – нижнюю, обращенную к забою, и верхнюю, расположенную над нею, отличающийся тем, что алмазосодержащий штабик полностью армирован алмазами одного качества и по высоте разделен на нижнюю и верхнюю части в пропорции (0,8-0,7):(0,2-0,3), причем нижняя часть имеет большую концентрацию алмазов, чем его верхняя часть, при этом диаметр алмазного зерна определяется по зависимости:

D=kF/πph,

где D – диаметр алмазного зерна, м;

k – коэффициент сопротивления движению алмаза (k=1,05-1,15);

F – разрушающая нагрузка на алмаз, Н;

р – предел текучести породы по штампу, МПа;

h – глубина внедрения алмаза, м;

2. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть штабика выполнена с наклоном под углом к оси расширителя, определяемым из соотношения:

β=mπ/2,

где β – угол наклона нижней части штабика к оси расширителя, рад;

m – опытный коэффициент, зависящий от твердости и абразивности горных пород (m=0,18-0,22).