Алмазный породоразрушающий инструмент

3. МАТЕРИАЛЫ ВООРУЖЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

3.1 Твердый сплав

    Одним из самых распространенных материалов для вооружения и армирования  рабочих элементов породоразрушающих  инструментов является твердый сплав. Основными компонентами твердого сплава являются карбид вольфрама (WC) и кобальт (Со). В табл. 1.3 приведены некоторые показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта по данным Г.С. Креймера. 
 

    Таблица 1.3 Показатели механических свойств карбида  вольфрама и кобальта 

    Для армирования поверхностей наплавкой  используются релит «3» зерновой при нагреве токами высокой частоты  и релит «ТЗ» трубчатозерновой при нагреве ацетиленокислородным пламенем. Основной частью релита также является порошкообразный карбид вольфрама. Зерновые сплавы представляют собой шихту, при расплавлении и последующем твердении которой на поверхности армируемой детали или инструмента образуется твердый износостойкий слой.

3.2 Сверхтвердый композиционный материал  «Славцтич»

      Этот материал включает в качестве  основных частей карбид вольфрама  и синтетические алмазы в виде  зерен размером от 0,2 до 1 мм и изготавливается методами порошковой металлургии. Алмазные зерна равномерно распределены в объеме материала. Содержание алмазных зерен в композиции и их фракционный состав меняются в зависимости от назначения. Элементы вооружения готовятся в виде зубков со стальным корпусом и рабочей головкой из материала «Славутич». Головка может иметь клиновую или сферическую рабочую поверхность. Для армирования калибрующих поверхностей породоразрушающих инструментов готовятся цилиндрические вставки. 
 
 
 
 

4. АЛМАЗ КАК МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТ

 
      Алмаз – минерал, полиморфная модификация углерода. Кристаллы алмаза представляют собой октаэдры, ромбододекаэдры и др. Размеры кристаллов от микроскопических до весьма крупных, массой до 3000 карат (1 карат – 0,2 г). Кристаллическая структура атомная, отличается плотной упаковкой и равномерным распределением связей в пространстве. Это обусловливает высокую плотность (3500 кг/м3), твердость и жесткость алмаза. Микротвердость алмаза в 10 раз выше, чем кварца, и в 6 раз выше, чем твердого сплава. Модуль Юнга алмаза 88*10⁴ МПа, т.е. в два раза выше чем у твёрдого сплава, и в четыре раза выше, чем у стали. Алмазы имеют уникально высокие теплофизические свойства: теплопроводность алмаза в 2,3 раза, а теплоемкость в три раза выше, чем у твердого сплава. Благодаря этим свойствам алмазы имеют исключительно высокую износостойкость при трении скольжения.  
        Наряду с достоинствами алмаз имеет и недостатки: он весьма хрупок (имеет совершенную спайность по октаэдру), при температуре 1850 °С в вакууме алмаз превращается в графит, на воздухе уже при температуре около 600 °С быстро окисляется, а при более высокой температуре сгорает с образованием углекислого газа.  
        Алмазы делятся на две группы: ювелирные и технические. Для бурения используют только технические алмазы, которые делятся на подгруппы: борт, баллас и карбонадо.  
           Борт - алмазы в виде неправильных кристаллов и агрегатов желтого, коричневого или серого цвета.  
           Баллас - шаровидные агрегаты, представляющие собой крупнокристаллическое ядро, покрытое мелкокристаллической корочкой. Цвет от мутно-белого до серого.  
           Карбонадо - плотные, мелкокристаллические агрегаты. Цвет от серого до черного. Современная промышленность освоила производство искусственных (синтетических) алмазов, а также композиционных сверхтвердых материалов, которые используются для изготовления элементов вооружения породоразрушающих инструментов. Элементы вооружения могут представлять собой как специально подготовленные алмазные зерна, так и изготовленные пластинки, резцы и зубки. Следует отметить, что прочность на сжатие синтетических алмазов пока в два раза меньше, чем натуральных (естественных). А поэтому они применяются только для разбуривания мягких и средней твердости пород.

    5. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА                                            

Эти долота оснащаются наиболее дешевыми натуральными алмазами подгруппы борт и синтетическими (искусственными алмазами). Для повышения  сопротивления разрушению алмазы предварительно обрабатывают.  Вначале их подвергают избирательному дроблению, при котором  алмазные агрегаты раскалываются по дефектным местам. Затем проводится овализация для придания алмазам округлой формы. Для снятия внутренних напряжений алмазы нагревают до 920 – 940 С и затем медленно охлаждают.

Алмазное  долото из полого стального корпуса, включающего головку и переводник с присоединительной резьбой, матрицы, на секторах которой размещены алмазы. В матрице долота выполнены промывочные отверстия, переходящие в промывочные каналы.

Алмазы на секторах крепят разными способами. Наиболее распространен способ порошковой металлургии. Алмазные зерна раскладывают в пресс  – форме по заданной схеме и  фиксируют клеем. В пресс –  форму засыпают порошкообразную  шахту (например, смесь карбида вольфрама  и кобальта) и спрессовывают, причем в качестве пуансона используют головку  породоразрушающего инструмента. Далее инструмент спекают при температуре около 1300 С в защитной среде (например в водородной печи). Зерна алмазов должны выступать под матрицей на 1/5 – ¼ от их диаметра. Для оголения алмазов, если это не было предусмотрено в пресс-форме, используется пескоструйная обработка рабочих поверхностей инструмента.

Инструменты с  алмазами, размещенными только в поверхностном  слое матрицы, называются однослойными. При этом используют алмазы диаметром 2-3 мм (от 3 до 12 зерен на карат).

При оснащении  породоразрущающих инструментов мелкими алмазами(до 1000 зерен на карат) их размещают в поверхностном слое матрицы толщиной 5-6 мм (алмазы входят в состав шихты, образующей этот слой). Такие инструменты называют импрегнированными.

Профили секторов могут быть разными. У долота цилиндрическая поверхность сектора, калибрующая  стенку скважины, переходит в наружную торовую поверхность, которая, в свою очередь, плавно переходит во внутреннюю коническую поверхность. Наружная может быть не только торовой, но и конической, а также может быть гладкой или ступенчатой.

Алмазы разрушают  горные породы микрорезанием, передеформированием с последним усталостным отделением частиц породы или ее истиранием. Такие виды разрушения обусловливают, весьма низкую механическую скорость проходки (0,5-1,5 м празрушения /ч)

В табл 1.4 приведены шифры конструкций типы долот, а также характеристики горных пород, для разбуривания которых эти долота предназначены.

Общей в шифре  всех конструкций алмазных долот  является первая буква Д. Вторая буква отражает особенности конструкции: Л – долота с узкими секторами (лопастями); К -  долота со ступенчатым профилем секторов.

                                                                       Таблица 1.4

Алмазные  долота и характеристики соответствующих  им горных пород

Р – долота с гладкими секторами или мелкими торовидными выступами; И – импрегнированное долото. Отсутствие этой буквы предполагает однослойное вооружение долота. Третья буква С показывает, что долото оснащено синтетическими алмазами. Далее цифрами показан диаметр долота, а буквами тип вооружения. Примеры полного шифра долота:  ДЛС 188,9С2; ДК 214,3Сб, ди 214,3Т5 и т.д. Последние цифры в шифрах отражают модификацию долота.

Особенности бурения  алмазными долотами обусловлены  конструкцией рабочих элементов  и свойствами алмазов. Алмазы выступают  из матрицы на незначительную величину и разрушают горную породу микрорезанием и истиранием. Поэтому с увеличением осевой нагрузки на долото, внедрение алмазов быстро достигает предельного значения. Дальнейшее повышение нагрузки не приведет к росту интенсивности разрушения горной породы, а возрастающая при этом работа трения и выпадение алмазов. Кроме того , растет опасность чрезмерного повышения температуры алмазов, их окисления и даже графитизации. Поэтому большую роль играет эффективное охлаждение рабочих поверхностей алмазных породоразрущающих инструментов. Но интенсивная промывка может вызвать эрозионное изнашивание матрицы. Поэтому режим работы алмазных инструментов строго регламентирован инструкциями по эксплуатации.

Опасность перегрузок и раздавливания алмазов периферии  долота не допускает его использования  для проработки скважины (расширение ствола до номинального диаметра). В  то же врем некруглое сечение скважины или потеря ее диаметра, обусловленные  применением предшествующего неалмазного долота, затрудняет спуск алмазного долота в скважину. Поэтому диаметр алмазных  инструментов меньше диаметра обычных инструментов, как это уже отмечалось в случае долот, оснащенных АТП и АТР.

Высокая хрупкость  алмазов не допускает наличие  на забое скважины твердых предметов, например, тел качения опор шарошечных долот или твердосплавных зубков и т.п. Перед спуском алмазного  долота скважину необходимо очистить от металла на забое и прошаблонировать твердосплавным долотом, по форме подобным алмазному, с металлошламоуловителем. Диаметр уловителя должен обеспечивать скорость восходящего потока жидкости до 5 м/с. При такой скорости с забоя поднимаются в кольцевой зазор между стенкой скважины и инструментом даже твердосплавные зубки. Выше металлошумоуловителя сечение кольцевого зазора резко увеличивается, а скорость восходящего потока падает до 1 м/с. При этом крупный шлам и обломки металла выпадают в уловитель, а мелкий шлам выносится из скважины на поверхность.

Выход из строя (отказ) алмазных породоразрушающих инструментов может произойти в результате образивного и эрозионного изнашивания матриц и потери алмазов, растрескивания и выпадения алмазов под действием динамических нагрузок, испарения и пригорания алмазов, забивания системы промывки долота и образования на нем сальника. Признаки отказа долота – снижение механической скорости бурения или увеличение давления промывочной жидкости на насосе. 
 
 

    6. ДОЛОТА ИСМ 
 

    Эти долота для горных пород средней  твердости и твердых готовятся  в секторном исполнении. Вооружение секторных долот ИСМ разрушает  горную породу микрорезанием и истиранием обнажающимися в процессе работы алмазными зернами. Обнажение происходит в результате опережающего износа твердосплавной составляющей «Славутича». При этом вылет алмазных зерен составляет 0,04-0,10 мм. Такое разрушение, как и в случае секторных алмазных долот, обуславливает весьма малую механическую скорость бурения(0,5-1,5 м/ч). Долота предназначены для разбуривания горных пород от средней твердости до твердых, а поэтому в их шифре указывается тип вооружения, например, ИСМ 163,5Т или УИСМ 242,1С. Буква У впереди шифра означает, что долото изготовлено на Дрогобычском долотном заводе.

    Выпускаемые типы долот ИСМ диаметром от 163,5 до 391,3 мм, особенности их ожидаемого воздействия на горную породу и область  применения приведены в табл1.5  

          Таблица 1.5

    Долота  ИСМ и характеристики соответствующих  им горных пород  

Из табл 1.5 видно, что долота предназначены в основном для разбуривания малообразивных высокопластичных горных пород и только долота типа Т могут работать в горных породах средней образивности.