3.2.3. Направления и методы повышения износостойкости и создания высокоресурсного бурового инструмента

Разработка методов повышения износостойкости бурового инструмента является актуальным и многоплановым направлением развития буровых технологий. Основной задачей является создание производительного и высокоресурсного бурового инструмента.

• Ресурс (франц. ressources) - средства, запасы, возможности, источники чего-либо - данном случае – интервал времени, предусмотренный паспортными данными на техническое средство или инструмент, в течение которого использование технического средства по назначению в соответствии с техническими условиями гарантирует получение положительного результата, поскольку обеспечено запасом работоспособного состояния техники.

Ресурс бурового инструмента может определяться длиной интервала или временем бурения при достижении определенной механической скорости.

Ресурс бурового инструмента определяется сохранением, прежде всего, вооружения: геометрической формы, параметров приострения резцов, диаметра инструмента, а для шарошечных долот и сохранения работоспособности опор вращения (подшипников) шарошек на определенном этапе породоразрушающего воздействия. Чем длительнее будет этот этап, тем выше эффективный ресурс бурового инструмента.

Эффективный ресурс бурового инструмента определяется длительностью этапа породоразрушающего воздействия, при котором достигается максимальная и близкая к ней механическая скорость бурения.

В тоже время, очевидно, что если происходит механическое разрушение породы, то ресурс инструмента объективно ограничен, так как процесс механического разрушения является всегда двусторонним, т.е. если разрушается и изнашивается порода, то будет изнашиваться и разрушаться сам буровой инструмент.

Таким образом, любой породоразрушающий инструмент, предназначенный для разрушения породы одним из механических способов, не может иметь неограниченный ресурс и быть абсолютно универсальным по породоразрушающему действию.

Поэтому очевидно, что развитие инструмента в направлении идеальной или совершенной высокоресурсной, универсальной и производительной системы связано с переходом на микроуровень с заменой полей механических напряжений, под действием которых происходит разрушение породы, на поля иной природы. Например, тепловое поле, которое может обеспечить плавление породы, электромагнитное поле для дробления пород при реализации электроимпульсного бурения, поле плазмы, силовое и температурное поле светового лазерного импульса и др.

Такие инструменты могут быть универсальны (при корректировке параметров управления), иметь неограниченный ресурс и производительность высокого уровня.

По оценкам специалистов, на пути к реализации подобных инструментов и технологий вполне рациональным промежуточным этапом развития может быть комбинирование механического разрушения пород резанием, скалыванием или дроблением с термическим или электротермическим разрушением. В данном случае интенсификация разрушения достигается за счет наложения поля механических напряжений и температурного поля.

При механическом разрушении горных пород ресурс инструмента напрямую определяется его износостойкостью.

Основными направлениями повышения износостойкости инструмента, повышающими его эффективный ресурс, являются:

- повышение эффективности отвода тепла от бурового инструмента – прежде всего его резцов и корпуса;

- повышение прочности резцов и корпусов бурового инструмента методами поверхностного и объемного упрочнения;

- снижение динамических нагрузок на буровой инструмент, возникающих при вибрации буровой компоновки и самого инструмента вследствие разрушения неоднородных и трещиноватых пород;

- создание инструментов с формами торца и схемами вооружения, обеспечивающих равномерный износ рабочих породоразрушающих поверхностей (торцевой, боковых наружной и внутренней);

- создание инструментов с рабочими породоразрушающими поверхностями или резцами, обеспечивающие при изнашивании сохранение начальных геометрических параметров вооружения (эффект самозатачивания);

- создание инструментов, у которых осуществляется восстановление рабочих породоразрушающих поверхностей одновременно с разрушением породы;

- разработка долговечных, в условиях высокого гидростатического давления и абразивного воздействия, опор шарошечных долот.

Повышение эффективности отвода тепла от бурового инструмента

По данным специалистов ТулНИГП [6], для снижения износа алмазных резцов бурового алмазного инструмента важно учитывать теплопроводные свойства материала матрицы, которые должны быть максимально близки к теплопроводности самих алмазов для быстрого отвода тепла от режущих граней алмазов при бурении. Наиболее близка к алмазам по значению теплопроводности матрица, состоящая из смеси ВК с медной связкой.

Определенную роль при отводе тепла от породоразрушающих элементов имеет и материал корпуса инструмента. В данном случае следует использовать материал с более высоким уровнем теплопроводности. По данным из работы

[5], изготовление корпусов коронок из композиционного материала ДЗО-ЖМ, теплопроводность которого более чем в 2 раза выше теплопроводности стали 20, позволило снизить нагрев рабочего торца инструмента на 120^º и повысить его ресурс.

С целью интенсификации отвода тепла от рабочих поверхностей создают разработки бурового инструмента [5] с тепловыми трубами, располагаемыми в матрице и корпусе коронок и частично заполненных теплоносителем. Эффективная теплопроводность «тепловых труб» в десятки раз выше, чем теплопроводность меди, серебра, алюминия и др. высоко теплопроводящих металлов.

• Тепловая труба – устройство, способное передавать большие тепловые мощности при малых перепадах температуры. Состоит из герметичной трубы, частично заполненной жидким теплоносителем, который, испаряясь у одного конца (нагреваемый конец) тепловой трубы, поглощает теплоту, а затем, испаряясь и конденсируясь на другом (более холодном) конце трубы, отдает её. Жидкость из зоны конденсации возвращается в зону нагрева под действием силы тяжести или по специальным капиллярам.

По данным ТулНИГП [ 6 ], каналы в коронках целесообразно заполнять теплоносителем, например, водой на 25% объема каналов, что позволяет оптимально решить задачу отвода тепла от рабочих поверхностей коронок. Для применения разработаны и испытаны алмазные коронки с тепловыми трубами типа МЦПИМ.

Повышение прочности резцов и корпусов бурового инструмента методами поверхностного и объемного упрочнения

Поверхностное и объемное упрочнение бурового инструмента используются как отдельные технологические операции, так и в сочетании.

Методы поверхностного упрочнения достаточно разнообразны, но в бурении нашли применение такие из них, как упрочнение поверхностей труб токами высокой частоты, деформационное упрочнение резьбовых соединений обкаткой роликом, абразивная обработка поверхностей алмазов, твердых сплавов после их спекания, комбинированная абразивно-элекролитическая обработка и др.

Основной недостаток поверхностного упрочнения состоит в том, что малая толщина упрочненного слоя не способна значительно повысить ресурс инструмента, а особенности методов не позволяют производить обработку инструментов в собранном готовом виде [6, 28].

С этих позиций существенно выше эффект от применения методов объемного упрочнения, т.е. упрочнения глубинного, затрагивающего значительную часть или всю внутреннюю структуру материала. В данном случае наиболее отработанной технологией упрочнения бурового инструмента является метод криогенной обработки и предложенный в ТПУ метод радиационного упрочнения путем облучения малыми дозами гамма-квантов или электронов [28], что вызывает перестройку кристаллов и резкое улучшение физических свойств.

Увеличение прочности обрабатываемого материала и при криогенной обработке, и при облучении достигается за счет сокращения числа и размеров дефектов материала, осуществляемое при облучении в процессе структурной перестройки материала, а при криогенной обработке за счет резкого и глубокого охлаждения, т.е. сжатия структурных элементов материала.

Для криогенной обработки применяют жидкий азот, который нашел широкое применение для упрочнения инструмента не только в бурении, но и в машиностроительной отрасли. Температура охлаждения инструмента в азоте составляет не менее – 196^º С.

По различным данным обработка инструмента в жидком азоте позволяет увеличить ресурс инструмента до 2 раз, механическую скорость в 1,2-1,3 раза.

Радиационное облучение инструмента позволяет повысить его ресурс в 1,5 раза, а механическую скорость на 20-40% [28].

Перспективным направлением упрочнения бурового инструмента является комплексная обработка, основанная на низкотемпературной закалке азотом и облучении малыми дозами гамма-квантов, что позволяет осуществить радиационный отжиг, и, таким образом, регулировать показатели прочности, понижая хрупкость, полученную материалом при охлаждении в азоте [28].

Важным обстоятельством, определяющим равномерность изнашивания алмазного бурового инструмента, является получение матриц, обладающих равной прочностью и твердостью материала по всему объему. Существенные отклонения прочности и твердости матрицы возможны при их изготовлении. Поэтому одним из направлений повышения ресурса инструмента является направление, связанное с совершенствованием технологий изготовления инструмента, обеспечивающих равномерную прочность матричных колец.

При ударном бурении изнашивание породоразрушающих элементов сопровождается их скалыванием вследствие динамических нагрузок. В данном случае возникает противоречие, которое состоит в том, что очень твердый сплав, отличаясь высокой износостойкостью, приобретает хрупкость, а значит, низкую сопротивляемость скалыванию

К омпания Sandvik (Швеция) разработала твердосплавный материал с двойными свойствами (Dual Property – DP) для изготовления твердосплавных вставок долот для ударно-вращательного бурения. За счет варьирования содержанием кобальта достигается изменение твердости и прочности материала. При изготовлении породоразрушающих вставок производится изменение характеристик материала послойно по сечению вставок, что позволяет полу-чить на поверх-ности и в центре вставки макси-мальную твер-дость, а в сред-нем слое пони-женную твер-дость, что в целом приводит к более высокой прочности поро-доразрушающего элемента. Варь-ируя составом и размерами слоев, специалисты компании Sandvik добиваются высокой сопротивляемости бурового инструмента износу и разрушению при бурении конкретных горных пород (рис. 3.16).

Снижение динамических нагрузок на буровой инструмент

В процессе бурения инструмент на забое подвергается действию продольных и поперечных колебаний, влияющих негативно на ресурс инструмента и его повышенный износ, особенно при бурении трещиноватых горных пород.

Снижение динамических нагрузок на инструмент при вращательном бурении достигается применением средств гашения колебаний бурильной колонны.

Для снижения колебаний бурового инструмента известны разработки специалистов ТулНИГП [6] по созданию алмазных коронок с матрицами и корпусами отличающихся использованием материала с высокой демпфирующей способностью.

• Демпфер (нем. dämpfer – глушитель) – принудительное гашение колебаний системы.

Для матриц подбирается размер частиц твердосплавной шихты: порошка карбида вольфрама и износостойкого наполнителя, что позволяет получить определенную структуру матрицы, гасящую колебательные процессы, и за счет этого снизить динамическое воздействие на алмазные резцы [6]. В этом же направлении выполнены работы по созданию алмазного бурового инструмента с корпусами из композиционного вибропоглощающего материала Д30-МП.

Испытания коронок с матрицами и корпусами, выполненными из демпфирующих материалов, показало рост эксплуатационных показателей на 25-30% [6].

Для снижения динамических нагрузок на резцы и матрицы коронок осуществляют их наклон в сторону, обратную направлению движения, задавая отрицательные значения передних углов.

Р авномерный износ рабочих поверхностей бурового инструмента обеспечивается за счет формы торцевой части, спроектированной с учетом линии износа. Пример подобного решения представлен на рис.3.9.

В ИСМ НАН Украины ведутся работы по созданию бурового инструмента, который бы обеспечивал равномерность износа матрицы коронки за счет распределения нормальных нагрузок на алмазные резцы пропорционально их прочности и концентрации в матрице [2]. С этой целью матрица коронки выполнена в виде двух сопрягающихся колец, насыщенных алмазами. При этом алмазосодержащие кольца имеют равную толщину и образуют скошенный торец (рис. 3.17). Угол скоса α (рис. 3.17) определяется из выражения:

где F₁,F₂ – разрушающая нагрузка алмазов в кольцах 1 и 2;

К₁,К₂ – концентрация алмазов соответственно в кольцах 1 и 2.

Максимальные нормальные нагрузки испытывают алмазы на плоском торце, перпендикулярном оси коронки. С уменьшением угла наклона α нагрузки на боковую поверхность торца уменьшаются пропорционально величине sin²α. Таким образом, варьируя значениями угла α, концентрацией и прочностью алмазов создается конструкция, обеспечивающая равномерный износ матрицы коронки, т.к. алмазы на рабочих поверхностях колец испытывают нагрузки, которые пропорциональны их прочности и концентрации в матрице.

Известны и другие, достаточно многочисленные варианты создания буровых инструментов, в которых учитывается необходимость равномерного изнашивания рабочих поверхностей с целью повышения эффективности бурения.

Эффект самозатачивания реализуется за счет формы и конструкции резцов или матриц бурового инструмента.

Например, резец коронки СА для бурения абразивных горных пород средней твердости выполнен из группы прямоугольных штабиков 2, обвязанных лентой и пропаянных латунью (рис. 3.18, а). При изнашивании торцевой части резца поверхность износа 1 для каждого штабика имеет криволинейную притупленную форму, а в целом геометрия торцевой части резца практически мало изменяется.

С ектора алмазной мелкорезцовой импрег-нированной коронки БИТ (рис. 3.18, б) выполнены наклонными в направ-лении движения сектора при бурении, при этом сектор имеет алмазо-содержащий слой 4 и слой без алмазов 5. При бурении слой 5 изна-шивается с некоторым опережением износа слоя 4, а поэтому при бурении сектор опирается на забой торцом слоя 4, геометрия которого не меняется при изнашивании. Исследования показали, что в данном случае достигается более высокая механическая скорость бурения, больший ресурс инструмента и отсутствует традиционная связь между темпом падения механической скорости бурения и изнашиванием коронки при бурении.

В

ω_д

осстановление рабочих породоразрушающих поверхностей параллельными, с разрушением породы, процессами в меньшей степени используется в настоящее время при бурении, в сравнении с представленными выше методами.

Н апример, известно дисковое долото с системой восстановления угла заточки диска 1 абразивной, прижимаемой к диску деталью 2 (рис. 3.19, а). Таким образом, изнашиваясь и притупляясь на забое, диски долота проворачиваются и затачиваются в противоположной от забоя точке.

Для восстановления породораз-рушающей поверхности могут использоваться различные механи-ческие, электрохимические способы затачивания и восстановления рабочих поверхностей. Например, для определенных условий может использоваться инструмент для вращательного бурения с подвижными лентами, на которых размещены породоразрушающие элементы (рис. 3.19, б). Если в зоне II происходит разрушение породы и изнашивание инструмента, то в зоне I предусмотрено восстановление рабочих поверхностей инструмента.

Для защиты опор шарошечных долот применяются маслонаполненные герметичные опоры долот, в которых смазывающая жидкость находится под давлением, обеспечивающим противодействие гидростатическому давлению, возникающему при бурении за счет давления столба промывочной жидкости. Ресурс долот с герметизированными маслонаполненными опорами вращения шарошек может достигать нескольких сотен метров. Подобные инструменты предназначены для бурения глубоких скважин большого диаметра.