Глава 5. Разрушение горных пород при вращательном способе бурения скважин

5.1. Разрушение горных пород буровым инструментом с резцами

из твердого сплава

При вращательном бурении разрушение пород рыхлых, мягких и горных пород средней твердости, пластичных и упруго-пластичных успешно осуществляется резанием или резанием-скалыванием буровыми коронками или долотами, вооруженными твердосплавными резцами. Основные параметры резцов из твердого сплава приведены в главе 4 и на рис.4.1.

К оронки для бурения с твердосплавными резцами выполнены в виде стального кольца с размещенными твердосплавными резцами. Резцы располагаются по периметру корпуса коронки таким образом, чтобы при вращении перекрывался весь кольцевой забой скважины. При этом как по внутреннему, так и по наружному диаметрам короночного кольца резцы устанавливают с выпуском для обеспечения зазоров f₁ и f₂, что определяет наружный D_н и внутренний d_в диаметры коронки (рис. 5.1).

При разрушении горных пород реализуются:

- резание – непрерывное отделение пластичной породы или стружки кромкой прижатого к забою резца;

- скалывание – периодическое отделение осколков породы от забоя прижатым к породе с достаточным осевым усилием резцом или путем приложения ударного импульса к резцу;

- резание – скалывание – отделение крупных частей породы скалыванием или отрывом передней гранью резца с последующим срезанием мелких выступов, до нового акта скалывания.

5.1.1. Твердые сплавы и их свойства

Твердосплавный породоразрушающий инструмент армируют главным образом спеченными твердыми сплавами различной формы и размеров [15].

Наплавочные твердые сплавы используют для повышения износостойкости лопастных долот режущего типа, шарошечных долот для бурения мягких горных пород и пород средней твердости (до VII категории по буримости), специальных коронок для вращательного бурения и башмаков обсадных колонн. Преимуществом наплавочных материалов является возможность многократного восстановления бурового инструмента. Основным материалом для наплавок является релит, который характеризуется невысокой, в сравнении со спеченными твердыми сплавами, твердостью и износостойкостью [15].

Для армирования бурового инструмента используют в основном спеченные вольфрамокобальтовые твердые сплавы типа ВК, которые имеют большую твердость, сочетающуюся с высокой износостойкостью при нагреве до 1000^º. Сплавы ВК почти не подвергаются заметной деформации, имеют большую прочность на сжатие, но в то же время обладают невысокой прочностью на изгиб и растяжение, небольшой ударной вязкостью.

Спеченные твердые сплавы состоят из карбида вольфрама WC и кобальта Со в различных процентных отношениях. Карбид вольфрама придает сплаву высокую твердость и износостойкость, он не магнитен, имеет высокую теплопроводность и весьма хрупок.

Кобальт – ковкий и вязкий металл, в расплавленном состоянии он хорошо смачивает зерна карбида вольфрама и при затвердении прочно связывает их.

Спеченный сплав типа ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25 изготавливают из порошковой смеси карбида вольфрама и кобальта путем прессовки в специальных графитовых пресс-формах и спекания при температуре ниже температуры плавления карбидов.

Цифры в марке сплава соответствуют процентному содержанию кобальта, в зависимости от которого сплавы отличаются, прежде всего, прочностью на изгиб, плотностью и твердостью.

Прочность на изгиб у сплава ВК3 составляет 1100 МПа (минимальная), у сплава ВК25 2000 МПа (максимальная). При этом более твердым является сплав ВК6 – 90 МПа. Твердость сплава ВК25 82 МПа.

Твердость сплава возрастает с увеличением содержания карбида вольфрама и уменьшением размеров его зерен. По структуре сплавы разделяются на мелко-, средне- и крупнозернистые. Мелкозернистые сплавы с размером зерен 1 мкм имеют индекс «М», крупнозернистые с размером зерен до 3-5 мкм индекс «В», среднезернистые – зерно 1-2 мкм не имеют индекса.

При увеличении содержания кобальта и зернистости увеличивается ударная вязкость сплава. Предел прочности резцов из твердых сплавов может быть существенно повышен упрочнением, например, охлаждением в азоте или алмазным шлифованием, уже рассмотренным ранее. Алмазное шлифование удаляет с поверхности резцов дефектный слой, что существенно повышает предел прочности сплава на изгиб и ударную вязкость на 20-50%, ударную долговечность в 10 раз [15].

С учетом основных физико-механических свойств среднезернистые и крупнозернистые малокобальтовые сплавы применяют для армирования инструмента, работающего в условиях безударных нагрузок, т.е. бурового инструмента для вращательного бурения. Средне- и высокобальтовые сплавы используют для армирования инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок, т.е. инструмента для ударно-вращательного бурения и шарошечных долот, предназначенных для бурения пород высокой твердости. Эти сплавы обладают наибольшей прочностью, но они менее износостойки.

Более высокие и сбалансированные характеристики имеют сплавы DP компании Sandvik (см. рис. 3.16), которые за счет слоистой структуры, при которой максимальной твердостью вставка обладает на поверхности и в центре, а средний слой характеризуется высокой вязкостью, сочетают высокую прочность, ударную вязкость и твердость поверхности.