Глава 6. Породоразрушающий инструмент

6.1 Твердые сплавы

Основной задачей технолога является повышение производительности бурения и качества опробования. Большое влияние на выполнение этих задач оказывает выбор породоразрушающего инструмента в соответствии со свойствами горных пород. Для этого требуется тщательный анализ протекающих при бурении процессов и параметров породоразрушающего инстру­мента.

Прочность твердого сплава зависит от прочности хи­мических связей составляющих элементов. Наиболее прочными связями обладают поливалентные элементы второго периода, способные создавать двойные и тройные ионно-ковалентные связи: бориды, карбиды, нитриды, оксиды.

Карбиды (соединения углерода) широко применяют для получения твердых сплавов. Сама природа создала одно из таких соединений углерода - алмаз, самый твердый минерал. Применяющиеся в настоящее время истирающие материалы представ­лены в основном карбидами металлов (вольфрама, титана и др.). Резцы для твердосплавных коронок обычно получают из карбида вольфрама. Для связки его зерен используют кобальт, который одновременно с этим повышает вязкость твердого сплава. Для приготовления резцов твердосплавных коронок вращательного бурения обычно используют твердые сплавы марок ВК-8 и ВК-6 (вольфрамокобальтовые сплавы с содержанием кобальта 8 и 6 %). Чем больше кобальта, тем меньше твердость сплава, но больше его вязкость.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы по твердости зна­чительно уступают алмазам, они быстрее изнашиваются и выхо­дят из строя. Для повышения ресурса коронок ряд институтов в Москве, Санкт-Петербурге, Киеве ведут поиск более твердых сплавов.

Наиболее прочные соединения - соединения поливалент­ных элементов с малыми атомными радиусами (В, С, N):

ВС - 775 кДж/моль; BN - 830 кДж/моль; СС - 837 кДж/моль;

CN - 891 кДж/моль; NN - 946 кДж/моль.

Следовательно, энергия связи атомов зависит от их валент­ности (заряда). Соединения NN и CN - газы, остальные соедине­ния BN, ВС имеют менее прочные связи, чем алмаз, но близки по прочности.

Наиболее близок по прочности к алмазу сплав нитрида бо­ра. Как и алмаз, он имеет две модификации. Разработан он в ин­ституте физики твердых тел АН СССР в 1960 г. В Санкт-Петербурге он получил название эльбор (с микротвер­достью ~ 7000 кг/мм), в Киеве - под названием кубанит (с микро­твердостью 9250 кг/мм). Получают его в результате взаимодей­ствия ВС1₃ с NH₃:

ВС1₃ + NH₃ = BN + 3HC1

при давлении 70000 кг/см² и температуре 1500+1800 ° С.

Из оксидов и фторидов показывают высокую твер­дость ТhО₂ (энергия связи 866 кДж/моль), ТаО (энергия связи 811±42 кДж/моль), ZrO (753±42кДж/моль), TiF₂ (811±42 кДж/моль) и др.

Ведутся дальнейшие поиски сверхтвердых материалов.

6.2. Геометрические параметры резцов коронок

К геометрическим параметрам резцов коронок относят линейные параметры резцов: 1 - форма и высота резца; 2 - ширина и толщина резца b х t, угловые параметры резцов: 1 - перед­ний угол 𝛄; 2 - задний угол α; 3 - угол наклона β, угол поворота δ.

Для твердосплавных коронок применяют обычно резцы пластинчатой (Г41), призматической (Г51, Г62) и восьмигранной формы (Г53) с плоской формой лезвия.

Технические и экспериментальные исследования показывают, что наиболее высокой механической скоростью и прочностью обладают резцы с клиновидным лезвием, но износ клиновидных резцов происходит быстрее, чем износ обычных резцов, эффективно только в начальный момент бурения.

Выход резцов за торцовую поверхность короночного коль­ца может иметь существенное значение при бурении мягких пород, а также при бурении пород средней твердости, так как при малом его выходе перед резцом образуется спрессованная масса породы, которая снижает эффективность бурения. Но большой выход резца снижает его прочность, поэтому выход резцов у коронок ограничивается 1,5 - 4,0 мм. Для предупреждения образования спрессованной массы породы следует обнажать переднюю грань резцов (как это делается у коронок типа СА).

Сечение резца (ширина в и толщина t) сказывается на его прочности. Чем больше сечение, тем выше прочность резцов. Но увеличение ширины резцов ведет к увеличению сопротивления горной породы. При малой глубине резания и истирании горных пород, как это имеет место при бурении горных пород средней твердости, рост сил сопротивления породы прямо пропорциона­лен ширине резца. Расчет показывает, что энергетически выгодным является сочетание узких (врубовых) и широких (отбойных) резцов. В существующих коронках для бурения более прочных пород применяют резцы с малой шириной. Резцы малого сечения при бурении имеют малую площадь контакта с породой, поэтому являются более производительными, чем резцы большого сече­ния. Такие резцы применяют в коронках типа СА.

Передний угол резцов также оказывает влияние на эффек­тивность резания. С увеличением переднего угла растет механи­ческая скорость бурения, но значительно снижается прочность резцов. Поэтому для бурения монолитных горных пород резцы устанавливают вертикально. Для бурения слоистых и трещинова­тых пород выпускаются коронки с отрицательными передними резцами. Такие резцы более прочны и не заклиниваются в тре­щинах.

Величина заднего угла на глубину внедрения не влияет, но для снижения трения задней грани о забой он должен быть боль­ше нуля.

Угол поворота резца относительно своей оси увеличивает прочность резцов. Такой поворот резцов рекомендуется исполь­зовать совместно с их наклоном в коронках, предназначенных для бурения трещиноватых и слоистых пород.

Выход резцов за боковую поверхность короночного кольца повышает производительность бурения и выход керна. Малый зазор между колонковой трубой и керном, между колонковой грубой и стенками скважины ведет к увеличению сопротивления циркуляции промывочной жидкости (особенно вязкой), к ухуд­шению очистки забоя от шлама, снижению производительности бурения. Повышение давления в колонковой трубе приводит к увеличению самозаклинивания керна, поэтому выход резцов за боковую поверхность должен быть не менее 1 мм. При бурении набухающих пород зазор между колонковой трубой и керном, колонковой трубой и стенками скважин увеличивают за счет приваривания специальных ребер с резцами.

Анализ экспериментальных исследований показывает, что с увеличением числа резцов при одинаковых параметрах режимов бурения и объемном разрушении пород механическая скорость бурения обратно пропорциональна корню квадратному из числа резцов:

, м/с, (6.1)

где m - число резцов.

При истирании скорость бурения от количества резцов не зависит.

При использовании нового бурового снаряда, когда можно создавать повышенные осевые нагрузки, применяют коронки с большим количеством резцов, при изношенном снаряде - коронки с уменьшенным количеством резцов.

При конструировании новых коронок резцы по торцу необходимо распределить так, чтобы коронка давала максимальную производительность бурения, работала бы длительное время и позволяла бы получать качественный керн.

Исследования показывают, что значительного эффекта можно добиться при ступенчатом расположении резцов. Поэтому многие коронки типа СМ имеют ступенчатое двух- и трехрядное расположение резцов. Наибольшему износу подвергаются резцы наружного и внутреннего ряда. С целью уменьшения износа по наружному и внутреннему ряду дополнительно устанавливают так называемые подрезные резцы. У коронок типа СМ подрезные резцы устанавливают в промывочных окнах, поэтому периферийные ряды основных резцов быстро овализуются. Это является недостатком коронок.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена следующая зависимость механической скорости бурения при резании от свойств породы и геометрических параметров коронки:

, м/с, (6.2)

где С_ос - осевая нагрузка, l - константа.

Как видно из формулы механическая скорость зависит как от параметров резцов, так и от технологических параметров бурения.