Буровые коронки для колонкового бурения: типы и выбор

Инструмент для колонкового бурения. Как было указано, набор инструментов для колонкового бурения — колонковый буровой снаряд состоит из коронки, колонковой трубы, переходника, соединяющегося с колонной бурильных труб.

Использующиеся в качестве породоразрушающего инструмента буровые коронки весьма разнообразны. Бурение рыхлых, слабо связных пород можно производить стальными коронками, имеющими заостренные резцы. Для бурения более прочных, скальных пород используют коронки, в которые вставлены резцы из твердых сплавов. Коронки различного назначения отличаются конструкцией корпуса, формой резцов, их размещением, выходом и другими элементами. Для разрушения пород невысокой твердости используют острые резцы, а в твердых — близкие к тупым по форме рабочей части.

Эффективность работы коронки во многом зависит от угла приострения резца, угла резания и расположения резцов относительно друг друга. Выход резцов за наружную и внутреннюю поверхности корпуса коронки зависит от твердости пород и устойчивости стенок скважины. Чем тверже и устойчивее породы и чем меньше скорость углубления, тем меньше должны быть выпущены резцы за наружную и внутреннюю боковые поверхности. Известно, что ступенчатая форма забоя наиболее благоприятна для его разрушения, поэтому в ряде случаев используют коронки со ступенчатым расположением резцов, образующих на забое уступы размером около 1,5 мм.

Широко используются коронки, армированные алмазами природными и синтетическими, различного размера, качества, прочности, зернистости и др. Алмазная коронка представляет собой стальное короночное кольцо с приваренной к нему матрицей, изготовленной из металлокерамического сплава, в котором размещены алмазы (рис. 9). У коронок разного типа внешний вид матрицы определяется конструкцией, формой и количеством промывочных каналов. Кристаллы алмазов, выполняющие роль породоразрушающих резцов, располагаются в матрице в определенном порядке.

Рис. 9. Типы алмазных коронок. А — однослойные: 1 и 2 — объемные алмазы, 3 — подрезные алмазы, 4 — матрица, 5 — корпус коронки; Б — многослойные: 1 — алмазы первого слоя, 2 — алмазы последующих слоев, 3 — подрезные алмазы, 4 — матрица, 5 — корпус коронки; В — импрегнированная коронка: 1 — матрица, насыщенная алмазами, 2 — подрезные алмазы

По рабочему назначению и местоположению в матрице они подразделяются на объемные (торцевые) и подрезные. Объемные располагаются внутри матрицы или на ее торцевой поверхности и выполняют основной объем работы по разрушению породы на забое скважины. Подрезные располагаются на наружной и внутренней боковых поверхностях матрицы и служат для предохранения коронок от преждевременного бокового износа. Для армирования коронок у нас в стране используют якутские и синтетические алмазы.

На работоспособность инструмента существенно влияют свойства материала матрицы, величина зернистости алмазов и их размещение в матрице. В зависимости от размещения и крупности алмазов в матрице различают два основных типа алмазных коронок: 1) однослойные; 2) импрегнированные.

В однослойных коронках алмазы по торцу матрицы располагаются в один слой по определенной, геометрически правильной схеме, которая выбирается в зависимости от размеров используемых алмазов, конфигурации промывочных каналов и насыщенности. В целом выбор той или иной схемы размещения алмазов определяется физико-механическими свойствами горных пород, для бурения которых предполагается данная коронка. Величина алмазов должна соответствовать твердости горной породы. Чем тверже порода, тем более мелкие зерна используются для коронок. В породах VI—VIII категорий по буримости, как правило, применяют коронки с алмазами размером 2-20 шт/кар; в породах VIII—IX категорий — 20-60 шт/кар; в породах IX-XI категорий — 60-150 шт/кар и в очень твердых породах XI-XII категорий — 150-600 шт/кар.

В импрегнированных коронках в качестве основных рабочих камней используются алмазы мелких фракций., размером 400-150 шт/кар и мельче (до 1200-600 шт/кар). Мелкие алмазы равномерно распределены в импрегнированных коронках по всему объему рабочего слоя матрицы. Работа этих коронок основывается на принципе самозатачиваемости.

Общая масса алмазов в коронках различного диаметра и типов колеблется от 4-5 до 20-24 карат в однослойных и от 6-7 до 2628 карат в импрегнированных.

При бурении алмазными и твердосплавными коронками между коронкой и колонковой трубой помещается кернорватель, состоящий из полого цилиндрического корпуса, имеющего внутреннюю коническую форму, внутри которого помещено разрезанное пружинное кольцо с внутренними выступами. При бурении кольцо не препятствует вхождению керна в колонковую трубу, а при подъеме пружина входит в суженную часть конического корпуса, сжимает керн и срывает его.

Колонковые трубы изготовляются длиной 1,5; 3; 4,5 и 6 м с резьбой на обоих концах для свинчивания с коронкой и переходником.

Все буровые инструменты соответствуют принятым стандартам. Основные размеры коронок и колонковых труб приведены в табл. 3.

Таб. 3. Основные размеры колонковых наборов, мм

Колонна бурильных труб (штанг), служащая для соединения породоразрушающего инструмента, работающего на забое с буровой установкой на поверхности, составляется из отдельных труб при помощи резьбовых соединений — муфт, ниппелей и специальных бурильных замков.

Длина отдельных труб 1,5; 3; 4,5; 6 м; наружный диаметр 33,5; 42; 50; 63,5 мм. Колонна бурильных труб является также каналом для подачи на забой промывочной жидкости.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.