5.3.7. Заполирование алмазов в буровых коронках

Заполирование алмазов происходит в процессе их изнашивания.

Изнашивание алмазов при бурении может быть подразделено на механическое и физико-химическое.

Среди механических видов изнашивания основными при алмазном бурении являются абразивный, фрагментационный и аллювиальный.

Среди физико-механических видов коррозии основным может быть диффузная.

Абразивный износ алмазов имеет место в том случае, если включения обрабатываемого материала внедряются в поверхность алмаза и осуществляют его царапание. Это явление может проявиться только в условиях очень высокой температуры алмаза, т.к. твердость алмаза существенно выше любого минерала.

Исследования поверхностей изношенных алмазных резцов показывают наличие линий-царапин, параллельных направлению движения алмаза, которые можно принять за линии абразивного износа. Этот износ обусловлен снижением твердости поверхности алмазов при повышенной температуре, которая может возникать в зоне контакта резца с породой.

Фрагментационный износ алмаза заключается в образовании на поверхности микроскопических осколков алмаза, после чего поверхность алмаза становится шероховатой.

Аллювиальный износ алмаза может проявляться при бурении твердых и трещиноватых горных пород, при разрушении которых возможны значительные ударные нагрузки. Внешние признаки такого изнашивания – окатанные вершины и ребра алмазных резцов, выщербинки на гранях. В результате аллювиального изнашивания вершины алмазов сильно округляются и притупляются, ребра и грани исчезают, а сам алмаз приобретает шаровидную форму с матовой поверхностью.

Диффузная коррозия алмазов также может происходить только в условиях высокой температуры. Коррозия обусловлена процессами диффузии атомов (ионов) между соприкасающимися алмазом и поверхностью разрушаемого и химически активного, по отношению к алмазу, минерала. Например, вероятна диффузия между алмазом и кварцем и, таким образом, при бурении любых силикатных пород. При разрушении силикатных пород наблюдается интенсивный окислительный износ алмаза за счет соединения кремния с углеродом и окисления выделяемым при этом кислородом.

Хотя природа механического и физико-химических видов изнашивания различна, однако в результате воздействия различных процессов, имеющих место при этом, поверхность алмаза оказывается почти одинаковой – очень гладкой, полированной. Это обстоятельство позволяет говорить о том, что заполирование алмазов в буровых коронках является результатом комбинированного износа.

Исследования показывают, что интенсивность изнашивания алмазов зависит, прежде всего, от типа горных пород. Заполирование алмазов происходит чаще всего при бурении упругой, малопластичной, очень твердой и однородной по твердости породы. Заполированию алмазов способствует микро- и мелкозернистая структура и массивная текстура пород, пониженное содержание слюд, округлая форма зерен минералов, наличие в породе двуокиси кремния (SiO₂), средняя и ниже средней абразивность, малая пористость породы [3].

При бурении таких горных пород заглубление алмаза в породу минимально, а внедрение в породу носит циклический динамический характер, при котором вероятны микроудары. Иллюстрацией динамического характера разрушения твердой упруго-хрупкой породы может служить диаграмма деформации, представленная на рис. 3.3, а и осциллограммы колебаний усилий разрушения на рис. 5.40 и 5.42. Разрушение пластичных пород (рис. 3.3, в) происходит плавно и не характеризуется резкими изменениями усилия нагружения и заглублением.

В результате микроударов скалываются вершины и ребра алмазов, происходит механический фрагментационный и аллювиальный износ резцов. Высокая упругость твердых горных пород является причиной дальнейшего изнашивания алмазов: алмаз проскальзывает по поверхности породы, упруго деформируя её без видимого разрушения. При этом происходит взаимное полирование поверхности алмаза и породы. Промывочный раствор с мельчайшими частицами породы в данном случае выступает в роли жидкости способствующей полированию алмазных резцов и породы.

При бурении горных пород, вызывающих заполирование, менее всего изнашиваются химически полированные алмазы, износ дробленых и овализованных алмазов в одних и тех же условиях в 1,4-1,6 раза выше. В то же время полированные алмазы из-за низкого коэффициента трения между резцом и породой могут быстрее заполировываться, если осевая нагрузка при бурении будет недостаточной. При этом эффективная эксплуатация бурового инструмента, оснащенного полированными алмазами, требует именно более высоких осевых нагрузок в сравнении с дроблеными (необработанными) или овализованными алмазами.

С повышением нагрузки на алмаз интенсивность изнашивания как полированных, так и дробленных и овализованных алмазов увеличивается пропорционально, но полированные алмазы оказываются в этих условиях более износостойкими.

Н а изнашивание алмаза значительно влияет внешняя среда – в растворе 1% эмульсии (кожпастол), в сравнении с водой, износ алмаза увеличивается в 1,5 раза. В то же время при бурении с применением эмульсии снижается твердость и повышается пластичность горной породы, что положительно влияет на показатели бурения горных пород, вызывающих заполирование алмазов. В то же время, в этом случае, возможен повышенный расход алмазов на бурение. Изучение поверхности алмаза, работавшего под влиянием эмульсии, показывает резкое проступание на поверхности алмаза линий спайности и микротрещин. Наблюдаемое различие в характере поверхностей определено активным воздействием ПАВ на поверхностный слой алмазов.

Поверхность алмазов изнашивается вследствие появления большого числа мелких трещин и отделения от поверхности микроскопических осколков. На поверхности алмазов отчетливо видны линии скольжения (штрихи), расположенные параллельно друг другу и ориентированные по направлению движения резца (рис. 5.49). Следует отметить, что линии скольжения более явно проступают (более глубоки) со стороны передней части резца. Очевидно, что передняя часть резца более нагружена и перегрета.

Интенсивность заполирования алмазов при бурении снижается при повышении осевой нагрузки и применении растворов с ПАВ. Повышение частоты вращения коронки приводит к повышению интенсивности заполирования алмазов.

Таким образом, для снижения заполирования алмазов следует применять при бурении повышенные (в 1,5-2 раза) осевые нагрузки и пониженные частоты вращения коронок, а также растворы с ПАВ.

Для бурения могут рекомендоваться буровые коронки с более мелкими алмазными резцами, например, импрегнированные, с уменьшенной площадью торца тонкоматричные и (или) коронки с уменьшенной твердостью матриц. Это направление будет особенно эффективно при бурении снарядами со съемным керноприемником (ССК).

Компанией Boart Longyear выпускаются импрегнированные коронки типа Alpha Bit восьми типов, отличающиеся твердостью матриц.

В соответствии с предложенной компанией технологической схемой (рис. 5.50). производится подбор коронок, наиболее соответствующей свойствам горных пород – , прежде всего, абразивности и твердости. Стандартный ряд коронок этой компании усилен версиями коронок c более выраженной вариацией параметров для бурения абразивных и трещиноватых твердых пород – версия Abrasive, и для бурения очень твердых, но не абразивных пород – версия Competent.

Предложенная номенклатура коронок позволяет успешно подбирать наиболее приемлемый для условий бурения тип коронки и избегать, в том числе, заполирования коронок.

При бурении твердых, но малоабразивных пород будут эффективны также коронки, создающие на забое при бурении свободные поверхности – уступы и конусы. К таким коронкам можно отнести так называемые гребешковые коронки, плоский торец которых выполнен в виде концентрических конусных поверхностей, с размещенными на них мелкими алмазными резцами (W-профиль).

Для снижения заполирования коронок, особенно в условиях, когда существенное повышение осевой нагрузки невозможно по условию прочности бурильной колонны (трубы ССК, ЛБТН), рекомендуется применять при алмазном бурении высокочастотные гидроударники. Наложение ударных импульсов способствует интенсификации разрушения твердых и хрупких горных пород и снижает интенсивность заполирования алмазных коронок.

Для восстановления заполированных алмазных коронок на практике прибегают к тепловому воздействию на заполированную поверхность алмазных резцов, выполняя заточку коронки на забое без подачи промывочной жидкости на время не более 0,5-1 минуты. Этот прием не приводит к полному в осстановлению характеристик бурового инструмента, должен повторяться при бурении периодически, достаточно агрессивен и вызывает преждевременный износ буровой коронки.

Более щадящим способом затачивания коронки может быть рекомендованный фирмами Atlas Copco и Boart Longyear, который заключается в том, что снижают на ⅓-½ частоту вращения коронки, стремясь, в то же время, за счет повышения осевого усилия поддерживать постоянной механическую скорость бурения. Одновременно с повышением осевого усилия снижают подачу промывочной жидкости на 15-25%. В результате на интервале бурения 1-2 см осевая нагрузка на коронку будет экстремальной, а затем, если коронка заточилась, скорость бурения увеличится, а осевая нагрузка на коронку снизится. После затачивания коронки следует осевую нагрузку на коронку снизить до прежнего значения, повысить частоту её вращения и установить прежний режим промывки забоя.

Для восстановления заполированного бурового инструмента наиболее продуктивен способ электрохимической «заточки», который заключается в растворении поверхностного торцевого слоя матрицы, что приводит к увеличению выпуска алмазов из матрицы и повышению эффективности бурения [6].

Другим способом, который рекомендуется компанией Boart Longyear, подготовки заполированной коронки к бурению является применение пескоструйной обработки торца коронки, при которой износ поверхности матрицы приведет к обнажению алмазов.