Бурение инструментом с резцами из композиционных
алмазосодержащих материалов и поликристаллических алмазов
Для создания бурового инструмента резцового типа могут использоваться композиционные материалы, содержащие отдельные алмазные зерна в металлической и металлокерамической матрицах. К таким сверхтвердым композиционным материалам относится созданный в 1967 г. в ИСМ АН Украины материал славутич.
Результаты испытаний показали, что с увеличением размеров алмазных зерен разрушающая нагрузка на них при бурении растет, а предел прочности резко снижается. Поэтому применение крупных алмазов, диаметр которых более 1,5 мм, может приводить к интенсивному разрушению резцов. Славутич, представляя собой крупный алмазосодержащий резец, обладает более высокой прочностью, чем крупный алмаз, так как состоит из мелких фракций алмаза, соединенных при спекании с порошковой шихтой твердосплавной основы.
Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые вставки из славутича могут использоваться как в коронках для бурения твердых пород, так и в коронках для бурения пород средней твердости.
Коронки типа БСС и БСИ оснащены вставками славутича в подрезном слое, а коронки БС и в торцевом слое, и в подрезном. Коронки БС различных типов применяются для бурения горных пород V-X категорий по буримости.
Кроме коронок с использованием славутича изготавливают также долота и расширители.
Параметры режима бурения буровыми инструментами с резцами славутич выбирают аналогично методикам выбора параметров режима бурения резцовым инструментом при бурении мягких горных пород и пород средней твердости и методикам определения параметров бурения твердых горных пород алмазным инструментом. При этом основными данными при выборе параметров режима бурения в данном случае будут физико-механические свойства горных пород и их состояние, а именно: трещиноватость, слоистость, абразивность и другие признаки, несколько ограничивающие значения частот вращения и осевых нагрузок на инструмент. Такой способ бурения применяется для бурения горных пород IV—XII категории. Элементом вооружения являются вставки из композиционного материала славутич и алмазно-твердосплавные пластины PDC (policristalline diamont cutters) Stratapax (General Electric, США), Sindit (De Beers, ЮАР), алмазно-твердосплавные пластины АТП (ИСМ и ВНИИалмаз, Украина и Россия соответственно). Эти материалы, как показали исследования, не уступают по эксплуатационным качествам крупным природным алмазам и получили широкое распространение. С применением сверхтвердых материалов изготавливаются долота, коронки, расширители, которые успешно заменяют шарошечные долота, твердосплавные коронки, традиционный алмазный инструмент с резцами из природных алмазов, обеспечивая высокий ресурс бурового инструмента.
I ш.
Рис. 2.16. Резец с АТП:
- 1 - слой поликристаллических алмазов; 2 - твердый сплав;
- 3 - твердосплавная опора;
- 4 - корпус коронки
Пластинами PDC и АТП оснащают резцы бурового инструмента. В этом случае, передний угол уп изменяется от -5° до -25° (рис. 2.16).
При бурении пластично-хрупких пород разрушение осуществляется вдавливанием, резанием и сдвигом. При бурении хрупких пород наблюдается раздавливание и скалывание породы алмазными резцами пластинки.
Резцы с пластинами Stratapax способны бурить как мягкие породы с высокой механической скоростью, так и твердые породы с удовлетворительными механической скоростью и стойкостью бурового инструмента. Именно поэтому буровые инструменты, армированные пластинами Stratapax, наиболее эффективны при бурении в разрезах, представленных породами перемежающейся твердости и при наличии высокоабразивных горных пород.
Таким образом, с появлением резцов с пластинами Stratapax удалось получить универсальный буровой инструмент, удовлетворяющий достаточно противоречивым требованиям процесса разрушения мягких пород резанием и твердых пород резанием-скалыванием и раздавливанием.
В бурении используются твердосплавные пластины Stratapax толщиной 3,5 мм с поликристаллическим покрытием алмазов 0,5 мм. Алмазный слой состоит из спеченных между собой кристаллов размером 60-150 мкм. Твердость пластин, измеренная на приборе ПМТ-3, составляет 50-80 ГПа. Твердосплавная подложка пластины состоит из твердосплавной шихты, содержащей 95 % карбида вольфрама и 5 % кобальта. Формование пластин осуществляется либо спеканием, либо прессованием.
Пластина Stratapax получается при совместной обработке отдельных заготовок поликристаллических алмазов и твердого сплава при температуре 1 500 С, давлении 5 ГПа и выдержке 5-10 мин. В результате алмазный слой синтезируется в виде однородной поликристаллической массы, образующей целое с твердосплавной подложкой и обладающей очень высокой твердостью, износостойкостью и ударной прочностью.
Фирма De Beers выпускает материал Sindit в виде двухслойных пластин, состоящих из алмазного слоя толщиной 1-1,5 мм и твердосплавной подложки.
ИСМ (Украина) совместно с ВНИИалмаз (Россия) разработали несколько марок поликристаллических алмазов на подложке. Материал АТП (алмазные твердосплавные пластины) применяется преимущественно для оснащения бурового инструмента.
Сравнение эксплуатационных свойств РОС или АТП, природных алмазов и твердого сплава с содержанием кобальта 6 % свидетельствует о том, что основные свойства поликристаллических алмазов сопоставимы с природными. Существенное колебание твердости природных алмазов объясняется анизотропией их структуры, тогда как кристаллы искусственных поликристаллических алмазов изотропны, т. е. физико-механические свойства кристаллов одинаковы во всех направлениях. Это способствует повышению прочности и износостойкости синтетических алмазов.
По сравнению с твердым сплавом прочность синтетических поликристаллических алмазов на сжатие выше на 70 %, а твердость - на 250 %.
Износостойкость пластин Бй^арах выше, чем природных алмазов и в 100-150 раз превышает износостойкость твердого сплава.
В буровом инструменте резцы с поликристаллическими пластинами устанавливают с отрицательным передним углом в пределах от -5 до -25 в зависимости от твердости горных пород. В инструментах, предназначенных для бурения более твердых горных пород, передний отрицательный угол задается несколько большим.
Показатели работы инструмента с пластинами АТП могут составлять в различных горно-геологических условиях по механической скорости от 2,3 до 30 м/ч, а по стойкости - от 200 до 1 000 м.
При использовании коронок, оснащенных пластинами АТП, при бурении песчаников получена скорость бурения 16 м/ч при стойкости 120-260 м против 3,6 м/ч и 30-60 м у твердосплавных коронок.
Таким образом, при бурении осадочных пород, в сравнении с
твердосплавным инструментом, использование АТП позволяет повысить скорость бурения в 1,5-5 раз и стойкость в 5-15 раз.
При бурении с отбором керна механическая скорость бурения увеличивается по сравнению с однослойными Рис. 2.17. Коронка со вставками Ошрах (а) алмазными коронками В 4-5
и схема вставки (б - вид сбоку): 1 - вставка; раз, твердосплавными - до 10
2 - отверстия для промывочной жидкости раз
Коронки с резцами АТП
или РОС способствуют повышению выхода керна. При бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые коронки, армированные пластинами с поликристаллическими алмазами, особенно перспективны в сочетании с ССК.
Компания Atlas Copco выпускает резцовые коронки, вооруженные поликристаллическими алмазными вставками Diapax и Tripax. Элемент Diapax выполнен в виде пластины с нанесенным слоем алмазов толщиной 0,5 мм, а Tripax - в виде треугольных или квадратных блоков-резцов.
Коронки с пластинами Diapax (рис. 2.17) предназначены для бурения мягких, вязких глинистых, мерзлых грунтов, горных пород средней твердости. В подобных горных породах коронки с пластинами Diapax имеют очень высокий ресурс (до 1 000 м) и производительность. Недостатком таких коронок является низкая стойкость к ударным нагрузкам, что делает их непригодными для бурения массива с прослоями твердых горных пород.
а, 6 в
Рис. 2.18. Схема (я) и фото (б, в) коронок с элементами Tripax: 1 - пирамидальные вставки;
2 - подрезные вставки; 3 - кубические вставки
При бурении пластины Diapax изнашиваются по внешней режущей кромке, контактирующей с породой. Получившие односторонний износ пластины Diapax можно извлекать из коронки и вновь устанавливаться с поворотом на некоторый угол, что позволяет восстанавливать инструмент 3-4 раза до полного изнашивания режущих кромок пластин. Суммарный объем бурения пластинами Diapax с учетом восстановления инструмента может, таким образом, составлять более 1 000 м.
Режим бурения коронками с пластинами Diapax предусматривает частоту вращения 50-80 мин'1 и осевую нагрузку 10-20 кН.
Коронки с режущими вставками Tripax компании Atlas Copco состоят из поликристаллических алмазных компонентов, имеющих треугольную или квадратную форму (рис. 2.18). Масса вставки Tripax составляет 0,3-1,0 карат (1 карат равен 0,2 граммам). Треугольная или квадратная форма создают хорошую режущую кромку и достаточно высокую прочность резца. Коронки со вставками Tripax применяют для бурения горных пород средней твердости и твердых. Их ресурс составляет от 50 до 250 м. В породах невысокой прочности ресурс коронок может составить порядка 1000 м.
Коронками Tripax рекомендуется бурить с частотой вращения 200— 300 мин'1 и осевым усилием 10-20 кН.
Механизм работы коронок с пластинами Diapax и вставками Tripax при бурении мягких и пластичных горных пород аналогичен механизму работы твердосплавных резцов с отрицательными передними углами.
Коронки со вставками Tripax в случае бурения твердых горных пород, разрушают породу отдельными алмазами. Данный механизм разрушения близок к процессу разрушения горных пород мелкими резцами алмазного бурового инструмента.
Компания Boart Longyear производит коронки с резцами из поликристаллических алмазов (PCD) и термически стабильных алмазов (TSD). Эти коронки особенно эффективны при бурении мягких пород, таких как уголь и глинистый сланец, в которых эффективно резание породы.
Рис.2.19. Коронки с торцевой промывкой и с резцами типа PCD (а)
и TSD (б) компании Boart Longyear
При использовании бурового инструмента с резцами РОС особое значение имеет схема размещения резцов, которая существенно влияет на эффективность разрушения породы. Для повышения эффективности разрушения породы расстановка резцов должна максимально соответствовать условиям образования свободных поверхностей забоя скважины.
В плоскости перпендикулярно забою резцы должны иметь некоторый угол поворота - 5-10, что положительно сказывается на условиях отвода разрушенной породы из-под торца коронки, снижении динамической нагрузки на инструмент.
Изучение механизма работы коронок с РОС показывает, что при бурении упруго-хрупких и хрупких твердых горных пород они разрушаются обнаженными алмазами резцов с РОС главным образом путем раздавливания и скалывания породы.
При бурении пластичных и пластично-хрупких пород разрушение происходит всем объемом алмазосодержащей пластины вдавливанием, пластическим резанием и скалыванием породы аналогично механизму разрушения породы крупным твердосплавным резцом.
