5.2. Разрушение горных пород буровым инструментом с резцами

из композиционных алмазосодержащих и поликристаллических алмазов

5.2.1. Буровые инструменты с резцами из композиционного сверхтвердого материала

Д ля создания бурового инструмента резцового типа могут использоваться композиционные материалы, содержащие отдельные алмазные зерна в металлической и металлокерамической матрицах.

К таким сверхтвердым композиционным материалам относится созданный в 1967 г. в ИСМ АН Украины материал славутич.

Результаты испытаний показали [24, 35], что с увеличением размеров алмазных зерен разрушающая нагрузка на них при бурении растет, а предел прочности резко снижается (рис. 5.16). Поэтому применение крупных алмазов, диаметр которых более 1,5 мм, может приводить к интенсивному разрушению резцов. Славутич, представляя собой крупный алмазосодержащий резец, обладает более высокой прочностью, чем крупный алмаз, т.к. состоит из мелких фракций алмаза, соединенных при спекании с порошковой шихтой твердосплавной основы.

Породоразрушающие вставки изготавливают формованием и последующим спеканием. На рис. 5.17, а показана отформованная композиция перед спеканием. Наружная оболочка вставки 1, окружающая алмазосодержащую композицию 2, не содержит алмазов. Спекание производится при температуре 1400-1460^º С.

В ыполненные ИСМ АН Украины исследования показали, что с увеличением температуры нагрева алмазы активно взаимодействуют с окружающими их металлами, образуя твердые растворы или карбиды. Поэтому при температуре спекания порошка твердого сплава 1, в котором равномерно распределены алмазы 3, образуется новая композиционная структура 2. Алмаз при спекании частично растворяется по контакту с порошком твердого сплава, что приводит к образованию зоны контактного взаимодействия 6, зоны пластичного материала 5 и зоны твердого сплава повышенной прочности 7. (рис. 5.17, б). Благодаря этому достигается прочное соединение алмаза с твердым сплавом и, таким образом, образуется новый сверхтвердый материал. Данные микроанализа позволили установить, что толщина зоны контактного взаимодействия составляет 4-5 мкм.

В недрению славутича в промышленность способствовали его высокие эксплуатационные качества, в сравнении с крупными природными алмазами. Не уступая крупным природным алмазам в износостойкости, славутич значительно превосходит их по прочности. Стоимость славутича значительно ниже стоимости крупных природных алмазов. При этом, если применение крупных алмазов для создания бурового инструмента имеет свои ограничения, ввиду их прочности (см. рис. 5.16) и стоимости, то изделия из славутича могут быть изготовлены любых форм и размеров.

Для оснащения бурового инструмента изготавливаются вставки цилиндрической формы с плоским, сферическим и клиновидным рабочими торцами (рис. 5.18). С целью более рационального использования славу-тича породоразрушающие вставки выполняются с подложкой из твердого сплава. К корпусу бурового инструмента вставки славутича крепятся припаиванием специально подобранным припоем, включающим цинк, фосфор, железо и медь. Пайка осуществляется путем высокочастотного нагрева аппаратом СВЧ.

Для бурения скважин на нефть и газ выпускается различный буровой инструмент типа ИСМ. Это долота режущего (для мягких пород) и микрорежущего типа (для твердых пород), колонковые долота, калибраторы – стабилизаторы, долота для направленного бурения.

Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые вставки из славутича могут использоваться как в коронках для бурения твердых пород, так и в коронках для бурения пород средней твердости.

Коронки типа БСС и БСИ оснащены вставками славутича в подрезном слое, а коронки БС как в торцевом слое, так и в подрезном слое.

Коронки БС различных типов применяются для бурения горных пород V-X категорий по буримости.

Кроме коронок с использованием славутича изготавливают также долота и расширители.

При бурении горных пород средней твердости и мягких резцы внедряются в горную породу на глубину, существенно превышающую величину выпуска алмазов из вставки и единичным резцом следует считать вставку из материала славутич в целом.

В этом случае при анализе процесса разрушения горной породы будут справедливы зависимости (2.34), (2.35), (2.36), отражающие влияние ряда параметров на глубины внедрения в породу шарообразного, пирамидального, клиновидного и пирамидального с площадкой износа резцов.

Основные положения механики разрушения горной породы резцами из слатувича существенно не отличаются от положений разрушения горных пород буровыми инструментами с резцами из твердого сплава, рассмотренных в главе 5. Например, если известно внедрение одного резца в породу h, то углубка за один оборот рассчитывается из произведения h×n_p, где n_p – число резцов в линии резания на торце бурового инструмента, а механическая скорость бурения может определяться по формуле (5.17).

В то же время вставки из славутича отличаются более высокой износостойкостью, которая существенно выше, чем у резцов из твердого сплава типа ВК, а поэтому стойкость инструмента с резцами из материла славутич существенно превышает ресурсные показатели твердосплавного инструмента.

В работе [24] приведены зависимости расчета глубины внедрения в мягкую горную породу или породу средней твердости за один оборот долота оснащенного сферическими резцами из материала славутич:

, (5.28)

где n_p – количество резцов в линии резания на торце долота;

r_в – радиус сферы породоразрушающей вставки, м;

Р_ос – осевая нагрузка на долото, даН;

σ_вр – временное сопротивление породы разрушению, Па.

При бурении более крепких горных пород разрушающими элементами являются зерна алмазов, находящиеся на поверхности вставок из славутича.

Считая, что поверхность алмазов имеет сферическую форму, в работе [24] приведена формула для расчета глубины внедрения долота, оснащенного вставками из славутича, в породу за один оборот:

, (5.29)

где ρ_а – радиус сферы алмаза, м;

Т – отношение применяемой концентрации алмазов к 100%.

В качестве временного сопротивления породы разрушению в формулах (5.28 и 5.29) можно использовать твердость.

Параметры режима бурения буровыми инструментами с резцами славутич выбирают аналогично методик выбора параметров режима бурения резцовым инструментом при бурении мягких горных пород и пород средней твердости и методики определения параметров бурения твердых горных пород алмазным инструментом. Основными данными при выборе параметров режима бурения, в данном случае будут физико-механические свойства горных пород и их состояние, а именно, - твердость, трещиноватость, слоистость, абразивность и др. признаки, несколько ограничивающие значения частот вращения и осевых нагрузок на инструмент.