Буровая коронка

Буровая коронка — это сменный породоразрушающий инструмент, устанавливаемый на конце буровой штанги (бурильной трубы) и предназначенный для механического разрушения горной породы на забое скважины в процессе бурения. Относится к классу буровых долот, но в отличие от шарошечных или лопастных долот, коронки, как правило, имеют кольцевую форму и используются для колонкового бурения (с отбором керна) или для бурения шпуров и скважин небольшого диаметра. Основные характеристики — тип и форма рабочей поверхности, материал армирующих элементов (алмазы, твёрдые сплавы) и способ соединения с буровой штангой.

История

Первые прообразы буровых коронок появились в конце XIX века в связи с развитием горного дела и геологоразведки. Первоначально использовались стальные коронки с зубцами, которые быстро изнашивались при бурении твёрдых пород. В 1860-х годах швейцарский инженер Жан-Родольф Лешо (Jean-Rodolphe Leschot) предложил алмазное бурение, вставив в стальную коронку промышленные алмазы. Это позволило значительно повысить скорость и глубину бурения.

В СССР массовое производство буровых коронок началось в 1930-х годах на Уральском заводе горного оборудования (УЗГО). В 1950-х годах были разработаны первые отечественные алмазные коронки для колонкового бурения. В 1970-х годах с внедрением синтетических алмазов (в частности, балласа и карбонадо) и твёрдосплавных вставок (победит, ВК-6, ВК-8) ассортимент коронок значительно расширился. Современные коронки изготавливаются с использованием поликристаллических алмазных резцов (PDC) и композитных материалов.

Классификация

Буровые коронки классифицируются по нескольким признакам.

По способу разрушения породы

• Режуще-скалывающие (лопастные) — разрушают породу лопастями (перьями) из твёрдого сплава. Применяются для мягких и средней твёрдости пород (глины, пески, мергели, слабые известняки).
• Дробяще-скалывающие (шарошечные) — имеют конические шарошки с зубьями или штырями. Используются для твёрдых и очень твёрдых пород (граниты, базальты, кварциты). В колонковом бурении применяются редко из-за сложности отбора керна.
• Истирающе-режущие (алмазные и твёрдосплавные) — разрушают породу за счёт истирания и микрорезания алмазными зёрнами или твёрдосплавными вставками. Наиболее распространены для колонкового бурения.

По типу армирования

• Алмазные — рабочая часть (матрица) содержит природные или синтетические алмазы. Обеспечивают высокую производительность и стойкость, особенно в твёрдых абразивных породах.
• Твёрдосплавные — армированы вставками из твёрдых сплавов (например, ВК-6, ВК-8, ВК-10). Дешевле алмазных, но менее износостойки. Применяются для пород средней твёрдости.
• Комбинированные — сочетают алмазные и твёрдосплавные элементы (например, алмазно-твёрдосплавные пластины).

По конструкции

• Цельные — коронка выполнена как единая деталь из стали с армированием.
• Сборные (секционные) — состоят из нескольких сменных секций (например, для бурения с изменением диаметра).
• Коронки с промывочными каналами — имеют отверстия или пазы для подачи промывочной жидкости (вода, глина, буровой раствор) для охлаждения и удаления шлама.

По способу соединения со штангой

• Резьбовые — наиболее распространены. Имеют внутреннюю или наружную резьбу (например, резьба NQ, HQ, PQ по стандарту Q-серии).
• Конические (конусные) — фиксируются на конусе штанги за счёт трения.
• Быстросъёмные (байонетные) — используются в ручных бурах для неглубокого бурения.

Устройство и характеристики

Типичная буровая коронка состоит из следующих частей:

• Корпус (головка) — стальная цилиндрическая или коническая деталь, обеспечивающая прочность и передачу осевой нагрузки и крутящего момента.
• Матрица (рабочая часть) — кольцевой слой, содержащий абразивные элементы (алмазы, твёрдый сплав). Матрица изготавливается из порошковых композиций (например, кобальт-вольфрам-карбид) методом горячего прессования или спекания.
• Промывочные отверстия (каналы) — обеспечивают подачу бурового раствора к забою и вынос шлама.
• Хвостовик — часть коронки, соединяемая со штангой (резьба, конус, байонет).

Основные технические характеристики:

• Диаметр — от 16 мм (микрокоронки для ручного бурения) до 200 мм и более (для колонкового бурения глубоких скважин). Стандартные диаметры: 46, 59, 76, 93, 112, 132 мм.
• Тип резьбы — определяет совместимость с буровым оборудованием (например, NQ — 2 3/8″ API, HQ — 2 7/8″ API).
• Количество и расположение алмазов/вставок — влияет на скорость бурения и стойкость. Для алмазных коронок указывается каратность (масса алмазов в каратах).
• Твёрдость матрицы — измеряется по шкале Роквелла (HRC) или по показателю износостойкости. Подбирается под твёрдость породы.
• Максимальная частота вращения — зависит от диаметра и типа коронки (например, для алмазных коронок до 1500 об/мин).

Применение

Буровые коронки используются в различных отраслях:

• Геологоразведка — колонковое бурение для отбора керна (образцов горных пород) с целью изучения геологического строения, поиска полезных ископаемых (нефть, газ, руды, уголь, вода). Наиболее распространены алмазные коронки серий NQ, HQ, PQ.
• Горное дело — бурение шпуров (взрывных скважин) для добычи руды, угля, строительного камня. Используются твёрдосплавные коронки (например, типа «К» — коронки для перфораторов).
• Строительство — бурение скважин под сваи, анкеры, фундаменты, а также для устройства дренажных систем и водозаборных скважин. Применяются коронки большого диаметра (до 600 мм) с твёрдосплавными или алмазными резцами.
• Бурение на воду — колонковое и роторное бурение для вскрытия водоносных горизонтов. Используются коронки с промывкой.
• Нефтегазовая отрасль — в основном для бурения направленных и горизонтальных скважин, но здесь чаще применяются шарошечные долота и PDC-долота, а коронки — для отбора керна.
• Научные исследования — бурение ледников, донных отложений, лунного грунта (в рамках космических программ). Для этих целей разрабатываются специальные коронки с минимальным разрушением образца.

Примеры

• Коронка алмазная NQ — стандартный инструмент для колонкового бурения в геологоразведке. Диаметр 47,6 мм, резьба NQ (2 3/8″ API). Используется для бурения пород средней и высокой твёрдости.
• Коронка твёрдосплавная К-100 — для перфораторного бурения шпуров в горных выработках. Диаметр 100 мм, армирована пластинами из сплава ВК-8.
• Коронка алмазная HQ — диаметр 63,5 мм, резьба HQ (2 7/8″ API). Применяется для бурения глубоких скважин (до 1000 м и более) в твёрдых породах.
• Коронка для бурения льда — имеет специальную заточку и минимальный коэффициент трения, используется в полярных экспедициях.

Интересные факты

• Первое алмазное бурение было выполнено в 1864 году в Швейцарии для прокладки туннеля под Монбланом. Использовались коронки с природными алмазами, закреплёнными в стальной оправе.
• В СССР в 1970-х годах была разработана уникальная алмазная коронка для бурения сверхглубоких скважин (Кольская сверхглубокая, глубина 12 262 м). Она выдерживала температуры до 300 °C и давление до 1000 атмосфер.
• Современные алмазные коронки могут содержать до 20–30 каратов синтетических алмазов в одной коронке. Стоимость таких коронок может достигать нескольких тысяч долларов.
• В России крупнейшими производителями буровых коронок являются ООО «Буровой инструмент» (Пермь), АО «Уралбурмаш» (Екатеринбург) и ООО «НПО «Буртехнология» (Москва).

Источники

• Справочник по бурению скважин на воду / Под ред. В. А. Козловского. — М.: Недра, 1986.
• Буровые долота: конструкция, эксплуатация, ремонт / Ю. А. Пальянов, В. И. Крылов. — М.: Недра, 1991.
• Алмазное бурение: теория и практика / А. Д. Козлов, В. И. Спивак. — М.: Горная книга, 2005.
• ГОСТ 21607-76 «Коронки буровые алмазные. Технические условия».
• ГОСТ 26673-85 «Коронки буровые твёрдосплавные. Технические условия».
• Техническая документация ООО «Буровой инструмент» (Пермь).