К.т.н. Кудайкулов С.К.

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева, Казахстан

Разработка эффективных породоразрушающих инструментов для бурения снарядами со съемными кернопремниками

В настоящее время наиболее эффективным техническим средством колонкового бурения являются снаряды со съемными керноприемиками (ССК). Основным преимуществом ССК перед традиционным бурением с отбором керна является увеличение рейсовой скорости бурения, а, следовательно, значительное повышение основных технико-экономических показателей буровых работ.

В свою очередь, рост рейсовой скорости во многом определяется конструкцией применяемых алмазных коронок. Наибольшее распространение получили импрегнированные алмазные коронки вследствие более простой технологии изготовления, относительной дешевизны мелких алмазов и возможности эффективного применения таких инструментов в породах средней и высокой твердости.

При создании новых алмазных буровых коронок в первую очередь всегда решаются следующие взаимосвязанные проблемы:

- повышение интенсивности процесса разрушения забоя скважины, т.е повышение механической скорости бурения;

- увеличение стойкости породоразрушающего инструмента, т.е повышение рейсовой скорости бурения.

Над решением указанных проблем работают многочисленные отечественные организации и зарубежные фирмы. Их усилия направлены, в первую очередь, на создание искусственных алмазов и других сверхтвердых материалов, обладающих весьма высокой твердостью и абразивностью, улучшение качества алмазного сырья специальными методами обработки (устранение внутренних дефектов, термообработка, овализация и т.д), повышение концентрации алмазных зерен и их рациональное размещение в матрице коронки, совершенствование технологии изготовления алмазных инструментов.

В комплексе этих исследований достаточно важную роль играет оптимизация рабочей формы торца алмазосодержащей матрицы коронки.

Остановимся на этой задаче подробнее. Геологической службой бывшего СССР для бурения ССК выпускались коронки с зубчатым, ступенчатым и комбинированным профилем рабочего торца матрицы [1]. Использовались также коронки, имеющие полукруглую, плоскую, куполообразную форму торца. Однако практика бурения ССК последних лет показала, что наиболее оптимальной является «гребенчатая» форма рабочего торца алмазонесущего слоя. Последняя представляет кольцевые концентрические клинообразные выступы и впадины (рис.1а). Такие импрегнированные алмазные коронки выпускают ведущие зарубежные фирмы: «Boart Lonqyear» (США), «Атлас Копко» (Швеция), «Терекалмаз» (Россия) и другие.

Достоинством указанных коронок является повышение механической и рейсовой скорости бурения.

Для доказательства этого положения напомним [2], что механическую скорость бурения алмазными импрегнированными коронками можно определить по следующей формуле:

, (1)

где - частота вращения коронки, об/мин;

- осевая нагрузка на коронку, даН;

- диаметр скважины, см;

-разрушающее напряжение горной породы при сжатии, даН/см²;

- отношение диаметра керна к диаметру скважины.

Рисунок 1 – Продольный разрез алмазонесущей матрицы буровой коронки «гребенчатого» типа.

а – общий вид; б – силы, действующие на клинообразный выступ; R_в, R_н – внутренний и наружный радиусы коронки; 1- клинообразный выступ; 2 – объемные алмазы; 3 – подрезные алмазы; 4 – корпус коронки.

Рассмотрим действие силы Р₀, приходящейся на единицу длины клинообразного алмазонесущего выступа матрицы радиусом R_i, на породу забоя (рис.1б). Указанная единичная сила равна:

, (2)

где - количество кольцевых клинообразных выступов матрицы.

Так как величина R_i изменяется линейно от R_В до R_Н, то можно полагать, что величина единичной силы Р₀ запишется через средний радиус R_ср матрицы следующим образом:

(3)

Из рис.1б следует, что сила Р₀ уравновешивает силы N₀ нормального давления, действующие по боковым поверхностям конического выступа. Тогда :

, (4)

где - угол приострения выступа.

Сила трения , приходящаяся на единицу средней длины кольцевых выступов, с учетом (3) и (4) равна:

. (5)

Для получения общей силы трения F_{тр сум}, возникающей на контакте гребенчатого торца матрицы и забоя, нужно умножить правую часть уравнения (5) на суммарную линию контакта всех клинообразных выступов с забоем скважины, т.е на .

Тогда (5) примет вид:

F_{тр сум}=. (6)

Полученная формула (6) совпадает с формулой, приведенной в работе [2] для долота с конусообразным профилем торца, предназначенного для бурения сплошным забоем.

Из сравнения формул (1) и (6) следует, что скорость бурения пропорциональна силе трения. Это положение объясняется тем, что при использовании алмазных импрегнированных коронок порода разрушается микрорезанием и, в большей степени, истиранием, а эти процессы, как известно, зависят от величины силы трения между трущимися поверхностями.

Если в формуле (6) положить ^º, (т.е матрица коронки имеет прямоугольный профиль торца), то F_{тр сум}=Pf₀. Если ^º, то F_{тр сум}≈2,9 Pf₀; если ^º, то F_{тр сум}≈5,7Pf₀.

Таким образом, с уменьшением угла приострения значительно возрастает сила трения F_{тр сум}, что приводит к интенсификации разрушения забоя скважины по сравнению с другими профилями торца матрицы. Этот вывод подтвержден экспериментально [2]. «Гребенчатый» профиль торца матрицы оказывает расклинивающее действие на формируемые кольцевые выступы забоя. Разрушению последнего способствуют также всегда имеющие место поперечные вибрации бурового снаряда. Конечно, при уменьшении угла приострения нужно учитывать необходимую прочность закрепления алмазных зерен в выступах торца матрицы и рост мощности на вращение коронки.

Вместе с тем, известные алмазные коронки с гребенчатым профилем рабочего торца. имеют крупный недостаток. Последний заключается в том, что по мере износа концентрических клинообразных алмазонесущих выступов инструмент работает как обычная импрегнированная коронка с плоским прямоугольным профилем торца. Производительность бурения соответственно снижается, что отрицательно сказывается на стойкости породоразрушающего инструмента.

Для ликвидации указанного недостатка фирмой «Бурмаш» и кафедрой технологии и техники бурения скважин КазНТУ разработана алмазная многослойная коронка с гребенчатым профилем торца [3]. Указанная коронка изображена на рис.2. Отличительной ее особенностью является конструкция матрицы, которая содержит по высоте несколько алмазонесущих слоев с объемными алмазами, причем слои повторяют «гребенчатую» форму торца инструмента. Пространство между «гребешками» (выступами) каждого слоя заполнено связующим материалом меньшей износостойкости, чем связующий материал алмазонесущих слоев (рис.2с,d). При разрушении забоя по мере износа алмазонесущего слоя 5 (рис 2а) в контакт с породой вступает следующий алмазосодержащий слой 6. При этом связующий материал 9 вследствие его меньшей абразивности и твердости изнашивается быстрее, обнажая выступы алмазосодержащего слоя 6, которые внедряются в породу, производя его разрушение.

Рисунок 2 – Многослойная алмазная коронка с гребенчатым профилем алмазосодержащих слоев.

а – вид со стороны корпуса; б – вид со стороны торца (по стрелке А); с – продольный разрез алмазонесущей матрицы в увеличенном масштабе (узел Б на рисунке а); д – продольный разрез матрицы после износа первого алмазного слоя.

1 – корпус; 2 – матрица; 3 – промывочные каналы; 4 – подрезные алмазы; 5,6,7,8 – алмазосодержащие слои матрицы; 9 – безалмазные слои малой твердости.

Таким образом, использование указанной коронки позволяет реализовать преимущества «гребенчатого» профиля торца до полного износа алмазонесущей матрицы, что повышает стойкость инструмента, а, следовательно, рейсовую скорость бурения.

Дальнейшее развитие работ по совершенствованию многослойных алмазных коронок с «гребенчатым» профилем торца связано с созданием многослойной коронки, при использовании которой обеспечивалось бы равномерное нормальное давление со стороны поверхностей всех кольцевых клинообразных выступов алмазосодержащих слоев на забой скважины.

Действительно, недостатком многослойной коронки (рис.2) является выполнение выступов и впадин «гребней» алмазосодержащих слоев одинаковой формы и размеров.

Если внешняя нагрузка, действующая на коронку при бурении, распределяется равномерно на все кольцевые клинообразные выступы алмазосодержащего слоя, то нормальные удельные давления на боковые поверхности выступов будут зависеть от их радиального расположения. Это связано с тем, что площади боковых поверхностей выступов различны: минимальная площадь будет у кольцевого выступа, примыкающего к внутреннему радиусу коронки, а максимальная – у периферийного кольцевого выступа, формирующего диаметр скважины. Напротив, наибольшее удельное нормальное давление будет испытывать порода со стороны внутреннего кольцевого выступа, а минимальное – со стороны периферийного выступа.

Неравномерность распределения давления в коронке (рис.2) может привести к её чрезмерной величине со стороны боковых конических выступов внутреннего кольцевого выступа торца и её недостаточности для разрушения породы периферийным выступом. В результате повышается общая нагрузка на коронку, что в свою очередь приводит к перерасходу алмазного сырья при изготовлении алмазных импрегнированных инструментов.

Необходимо было разработать алмазную коронку, при использовании которой обеспечивались бы равномерные нормальные удельные давления со стороны поверхностей всех кольцевых клинообразных выступов алмазосодержащих слоев на горную породу забоя скважины.

Нормальные удельные давления определяются следующим образом. Так как осевая нагрузка Р в процессе бурения распределяется поровну между всеми клинообразными кольцевыми выступами, то на каждый выступ приходится нагрузка, равная Р/m (m – количество выступов).

Рисунок 3 – Многослойная буровая коронка с переменной по высоте «гребенчатым» профилем

а – общий вид; б – «гребенчатый» профиль алмазосодержащего слоя; 1 – корпус; 2 – матрица; 3 – промывочные каналы; 4 – алмазосодержащие слои; 5 – безалмазные слои.

Тогда нормальное удельное давление на боковую поверхность любого выступа, например, на боковые поверхности «а» и «в» будут (рис.3б):

, (7)

где - угол приострения периферийного клинообразного выступа;

- искомый угол приострения выступа, примыкающего к внутреннему радиусу R_В коронки (рис.3б);

, - площади боковых поверхностей периферийного и внутреннего клинообразных выступов.

Площади и определяются по следующим формулам:

; (8)

, (9)

где - целое число, равное количеству боковых поверхностей выступов и изменяющееся от 1 (поверхность «в») до рассматриваемой поверхности. Например, для боковой поверхности «а» =8.

Подставив значения и в выражения для q_{Nа и} q_Nв и приравняв последние, найдем значения угла _И (рис 3б):

. (10)

Выразив полуоснование выступов 0,5t через высоты h_max, h_min и углы и , получим окончательную формулу для изменения высот выступов в направлении от боковой поверхности «а» к поверхности «в» (рис.3б). Искомый профиль алмазонесущих слоев представляет примыкающие друг к другу треугольники с равными основаниями t, но с различной высотой h_i, линейно убывающей в направлении внутреннего радиуса коронки.

На рис.3б для сравнения пунктиром показан ранее применявшийся гребенчатый профиль алмазосодержащего слоя. Из сравнения применявшегося и предлагаемого профилей следует, что использование разработанной (рис.3) коронки обеспечит не только равномерное нормальное давление (q_{Nа =} q_Nв) на выступы алмазосодержащих слоев и уменьшение затрат мощности на бурение, но и экономию алмазного сырья при изготовлении алмазных инструментов.

Для производственных испытаний разработанных многослойных коронок с гребенчатым профилем ОАО «Терекалмаз» (Россия) изготовила по чертежам ТОО «Бурмаш» (г.Алматы) две партии коронок, которым присвоены индексы КСБ-1 (рис.2) и КСБ-2 (рис.3). Некоторые их технические параметры указаны в таблице.

Таблица – Технические параметры многослойных коронок с гребенчатым профилем алмазосодержащих слоев

Параметры	Индекс коронки
	КСБ-1	КСБ-2
Количество алмазосодержащих слоев	5	5
Количество безалмазных слоев	5	5
Основной связующий компонент матрицы в алмазном слое	Твердый сплав ВК-6
Основной компонент безалмазного слоя	Твердый сплав ВК-20
Группа алмазов в подрезном слое	INDT I, 460/40
Группа алмазов в объемном слое	IDMV 6020 30/40
Общая масса алмазов, карат	51,9	48,4

Опытные коронки КСБ-1 и КСБ-2 были испытаны при бурении наклонных колонковых скважин на действующем карьере, эксплуатирующем золоторудное месторождение Мизек. Начальный угол наклона скважин составлял 75º, глубина варьировала от 400 до 450 м. Буримые породы представлены андезитами, порфиритами VII-IX категории, туфами и кварцитами андезитового состава Х-ХI категории по буримости.

Механическая скорость при использовании обоих типов коронок составляла от 2 до 3 м/час. Стойкость опытных коронок в среднем составила: КСБ-1 – 216 м, КСБ-2 – 230 м проходки. Этот показатель был примерно в 2 раза выше, чем у импрегнированных коронок с одним по высоте гребенчатым профилем фирмы «Boart Lonqyear», которые применялись ранее для бурения на указанном месторождении.

Литература:

1. М.И. Исаев, В.П. Онищин. Бурение скважин со съемными кернопремниками. Л:Недра, 1975.

2. В.О. Царицын. Алмазное бурение. М:Недра, 1975.

3. Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Федоров Б.В. Алмазная буровая коронка. Предварительный патент Республики Казахстан № 13169.