Использование поликристалического материала АКТМ в буровых импрегнированных коронках
Практика бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые показывает, что не может существовать один универсальный породоразрушающий инструмент, способный обеспечить высокие результаты при бурении в породах с различными физико-механическими свойствами.Применительно к конкретным категориям пород разрабатываются инструменты, оснащенные определенными сверхтвердыми материалами. Так, для бурения мягких пород (I – V категория по буримости) используется инструмент, оснащенный твердосплавными элементами. Для бурения пород средней твердости (VI – VIII категория по буримости) используется инструмент, оснащенный крупными природными и поликристаллическими синтетическими алмазами. В твердых породах (IX – XI категория по буримости) используется инструмент, оснащенный мелкими природными и высокопрочными монокристаллическими синтетическими алмазами.
В Институте сверхтвердых материалов имени В.Н.Бакуля (ИСМ) разработана большая гамма бурового инструмента, оснащенного высокопрочными синтетическими монокристаллическими алмазами, предназначенного для бурения скважин в твердых породах.
С разработкой в ИСМ алмазного композиционного термостойкого материала (АКТМ) появилась возможность выполнять работы по созданию инструмента для бурения скважин в породах средней твердости
При разработке конструкции коронки с резцами (вставками) АКТМ важное значение имеет угол резания вставок, количество и схема их размещения по рабочей части коронки. По мере уменьшения угла резания процесс разрушения породы происходит более эффективно, увеличивается глубина резания, образуется более крупный шлам. В результате механическая скорость бурения увеличивается. Вместе с тем, при уменьшении угла резания резец (вставка) АКТМ становится более чувствительным к ударным нагрузкам, возникающим при бурении в трещиноватых породах. Увеличение угла резания способствует повышению надежности работы вставок АКТМ в твердых породах и росту ресурса инструмента, но при этом приводит к снижению механической скорости бурения.
Немаловажным элементом конструкции коронки является число вставок на породоразрушающей части инструмента. При увеличении их количества снижается эффективность очистки забоя от шлама, что отрицательно сказывается на механической скорости бурения. С увеличением количества вставок уменьшается величина удельной нагрузки на единичную вставку, что также приводит к снижению механической скорости бурения.
Размер кристаллов алмаза в слое и размер вставок должны находиться в определенном соотношении. Если это соотношение будет меньше оптимального, то образовавшиеся в процессе предразрушения породы частицы шлама будут иметь больший размер по сравнению с кристаллами алмаза в слое и коронка будет зависать на этих частицах вплоть до их переизмельчения в размер, при котором они смогут проходить между выступающими из слоя кристаллами алмаза и вымываться промывочной жидкостью на поверхность скважины. На процесс переизмельчения будут расходоваться дополнительные затраты мощности, скорость бурения будет падать и эффективность бурения понизится.
В случае, когда соотношение размеров вставок и кристаллов алмаза в слое больше оптимального, частицы шлама будут значительно меньше величины выступания кристаллов алмаза из слоя, и поэтому будут полностью выноситься промывочной жидкостью из-под торца, что недостаточно для нормального износа матрицы и обнажения кристаллов алмаза, находящихся в слое. Такой процесс будет приводить к постепенной заполировке алмазов слоя и, как следствие, к прекращению процесса разрушения породы. Работа коронки в этих условиях будет малоэффективной, так как необходимо будет затрачивать и время на дополнительный процесс обнажения кристаллов алмаза.
При оптимальном соотношении размера кристаллов алмаза в слое и вставок АКТМ частицы шлама, находясь в постоянном контакте с матрицей, изнашивают ее на необходимую для непрерывного обнажения кристаллов алмаза величину. Шлам имеет возможность проходить в зазоре между ними и бурение происходит без дополнительных на то затрат мощности и времени.
Правильно выбранные параметры режима бурения породоразрушающим инструментом обеспечивают достижение высоких показателей бурения. Оптимальными режимными параметрами считаются такие, при которых обеспечивается максимальная механическая скорость бурения и минимальный при этом износ инструмента.
В Институте сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля были произведены испытания в производственных условиях. Целью испытаний являлось установление и уточнение значений режущей способности инструмента из АКТМ и получение сравнительных данных с базовым серийным инструментом. Изучение поверхности алмазов после бурения горной породы позволило выделить два типичных вида их износа: хрупкое разрушение и абразивный износ.
При внедрении в породу алмазные зерна испытывают сжимающие и изгибающие нагрузки. Кроме этого в процессе разрушения горной породы в результате действия циклических нагрузок в алмазных зернах возникают усталостные явления. Под их влиянием по имеющимся плоскостям спайности, а также возникающим усталостным трещинам происходит микровыкрашивание локальных участков кристаллов. При этом следует учитывать то, что усилие передается алмазом горной породе не всей площадью контакта, а ее локальными участками. При этом возможно возникновение на таких участках алмазных зерен нагрузок, по величине превосходящих критические и вызывающих микро - и макроскалывание локального участка.
Принимая во внимание циклический характер разрушения породы, возможную неравномерность распределения нагрузки по площади контакта «алмаз — горная порода», можно предположить, что в процессе бурения постоянно возникают ситуации, когда общая нагрузка на алмазное зерно не превосходит допустимую. При нагрузках, не превышающих критические значения, алмазные зерна сохраняют свою форму, имеют высокое выступание из матрицы и эффективно разрушают горную породу.
С ростом механических скоростей бурения, вызывающих увеличение глубины внедрения алмаза в горную породу, повышаются нагрузки на алмазы. При этом могут создаваться ситуации, когда напряжения на отдельной части алмазов значительно превосходят критические. В результате микротрещины на таких локальных участках поверхности алмазов начинают развиваться, что в последствии является причиной скалывания части зерна или его полного разрушения
Кроме этого, на локальной поверхности некоторых алмазов виден ряд параллельных борозд, вытянутых по направлению движения алмазного зерна . Можно предположить, что появление борозд является следствием абразивного воздействия на поверхность алмаза, разупрочненную под действием высокой контактной температуры, твердых включений породообразующих минералов горной породы и разрушенных микрочастиц алмазов.
Выполненные наблюдения позволили установить, что преобладающим видом износа синтетических алмазов в процессе бурения является хрупкое разрушение со скалыванием выступающих частей их зерен.
Исходя из этого, с целью повышения работоспособности породоразрушающего инструмента наиболее целесообразным является использование для его оснащения синтетических алмазов повышенной прочности
Изучая картину износа, представленную на рис.1 и 2, можно отметить следующее. Алмазы в коронке (рис.1а) в большинстве своем изношены и имеют значительное количество площадок затупления. Борозды на поверхности контакта матрицы с забоем скважины неглубокие, что свидетельствует об образовании в зоне контакта шлама небольшого размера. Наличие части шлама малого размера свидетельствует о малоэффективности процесса разрушения породы.
Характер износа коронки (рис.1б) отличается от характера износа коронки. Количество целых алмазов на поверхности трения в первом случае больше, чем во втором, и борозды более глубокие. Можно констатировать, что вставка защищает алмазы и процесс разрушения породы происходит более эффективно.
Характер износа сектора на рис.2,а в значительной степени близок к характеру износа, представленного на рис.1б. По интенсивности изнашивания коронка наиболее стабильна как видно из рис.2,а площадки заполировки на алмазах практически отсутствуют.
Рис. 1a |
.jpg) Рис.1б
|
Рис. 1. Характер износа породоразрушающей части секторов коронок №1
.jpg)
Рис. 2a |
.jpg) Рис.2б
|
Рис. 2. Характер износа породоразрушающей части секторов коронок №2
На рис.2 представлен характер износа коронки. На поверхности матрицы, контактировавшей с породой, наблюдается большое количество лунок от вырванных из нее алмазных зерен. Это свидетельствует о работе коронки такой конструкции в режиме вибрации. На последнем этапе испытаний отмечается самая низкая работоспособность коронки, по сравнению с другими инструментами. Материал АКТМ как в виде зерен, так и в виде цилиндрических вставок, способен разрушать горную породу. При этом инструмент из АКТМ в виде цилиндрических режущих вставок в комбинации с матрицей, оснащенной синтетическим монокристаллическим алмазом. Позволяет увеличить производительность бурения в 1,8 раза по сравнению с существующими типами инструмента в породах VII - IX ( частично ) категорий по буримости. В дальнейшем намечается провести исследования по усовершенствованию разработанной конструкции коронки со вставками из АКТМ и созданию новой, способной эффективно бурить скважины в более крепких породах (IX - X категории по буримости).
Библиотека