Способ эксплуатации прямоугольных двухслойных пластин в кольцевых буровых коронках
METHOD FOR OPERATION OF RECTANGULAR TWO-LAYERED PLATES IN ANNULAR DRILLING BITS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении кольцевыми коронками с применением прямоугольных съемных режущих пластин, а также в металлообработке.
Известен при бурении скважин в горных породах пассивный способ эксплуатации, включающий только визуальное наблюдение состояния резцов, при котором ведут бурение до тех пор, пока из-за износа вооружения инструмента и увеличения площади контакта резцов с породой нарастание механического нагружения не станет чрезмерной, препятствующей дальнейшее бурение [1]. Такой способ эксплуатации вооружения породоразрушающих инструментов стал чрезмерно расточительным, в связи с применением в бурении скважин двухслойных алмазно-твердосплавных пластин (АТП), у которых твердосплавная часть является опорной для алмазного слоя и служит для крепления пайкой всего резца, а передняя алмазная - рабочей.
Недостатком такого способа эксплуатации двухслойных пластин является, что за работой пластин ведут только наблюдение за их износом и никаких действий над ними не производят для дальнейшего их применения, вследствие этого значительное количество дорогостоящего материала остается в отработавшихся буровых коронках.
Известен также способ эксплуатации АТП в коронках с разъемным механическим креплением резцов [2]. АТП установлены в буровой коронке по схеме скважино- и кернообразующих резцов в цилиндрические пазы под отрицательные передние углы. В плане к боковой внутренней и внешней поверхностям резания АТП также установлены под отрицательные углы резания и закреплены посредством цилиндрического клина и прижимного винта. При этом силы резания компенсируются реакцией пород забоя и стенок скважины, что является большим достоинством данной коронки, так как значительно снижаются требования к прочности их крепления. Кроме того, благодаря разъемному соединению резцов, появилась возможность по мере износа режущей кромки поворачивать круглую АТП на не изношенные или мало изношенные кромки. Когда режущие кромки износятся по всему периметру круга, ее снимают с коронки, а на ее место устанавливают новую пластину. Однако в этой коронке из-за зажима режущей грани (алмазного слоя) клином сохраняется все еще большой расход дорогостоящего алмазного сырья.
С другой стороны, чем меньше алмаза остается в инструменте, тем меньше становится площадь зажима клином, т.е. уменьшается прочность крепления пластин. Соответствующее увеличение усилия механического зажима пластин клином может привести к деформации корпуса коронки и перенапряжению пластин усилиями сжатия. Но даже при этом все равно остаются алмазы, зажатыми клином. Таким образом, износ пластин приводит к снижению надежности их крепления и снятию с эксплуатации с оставлением большого количества алмазов на пластинах. В этом кроется основной недостаток описанного способа эксплуатации АТП, как и других двухслойных пластин. Однако основное достоинство способа эксплуатации АТП в этой коронке заключается в том, что он стал более активным: к процессу простого наблюдения добавилась активная деятельность по использованию еще не изношенных или малоизношенных кромок АТП.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является относящийся к металлообработке способ эксплуатации многогранных режущих пластин [3]. Его суть по [3] заключается в следующем. «Многогранную режущую пластину, каждая грань которой выполняет поочередно функции задней режущей грани или базовой опорной грани, устанавливают в резец. После отработки каждой гранью одного периода стойкости одну из граней используют только как базовую опорную, а другую - только как режущую и подвергают многократной переточке до определенной величины. После этого режущую пластину устанавливают в резец следующего типоразмера, при этом грань, выполнявшую ранее функции базовой, используют в качестве режущей, а другую грань, выполнявшую ранее функцию режущей и многократно переточенную, используют только в качестве базовой. Режущую грань подвергают многократным переточкам до определенной величины. После чего пластину устанавливают в резец следующего типоразмера и т.д., пока размеры пластины не достигнут критической величины». Достоинством вышеописанного способа эксплуатации многогранной режущей пластины является экономия инструментального материала. Данный способ включает множество действий по эффективному использованию инструментального материала. Но, тем не менее, после эксплуатации пластин в резце последнего типоразмера останется немало алмазов на пластине. Указанный способ эксплуатации многогранной пластины выбран в качестве прототипа.
Таким образом, может быть поставлена задача более эффективного 95-100% использования дорогостоящего инструментального материала в двухслойных пластинах и надежного крепления их независимо от износа их рабочих кромок. Поставленная задача может быть решена, если при бурении скважин коронкой, оснащенной двухслойными пластинами прямоугольной формы, эксплуатация режущих пластин, включающая многократную отработку установленного выпуска режущих кромок, многократную переточку изношенных и мало изношенных граней, последующее многократное использование переточенных граней для резания пород забоя и использование противоположных им граней только в качестве опорных, будет дополнительно включать после каждого акта переточки режущей и калибрующей граней двухслойной пластины крепление пайкой или приклеиванием к опорным граням стальных пластинок, толщиной равной величине износа выпуска соответствующей рабочей грани и шириной равной толщине двухслойной пластины. Дальнейшая эксплуатация пластин заключается в том, что отработавшиеся по высоте до угловой зоны режущие пластины снимают с коронки и устанавливают по внешнему и внутреннему диаметру корпуса твердосплавной коронки, при этом ее грань, выполнявшую ранее функции резания, используют в качестве калибрующей стенки скважины. В двухслойных пластинах в качестве дорогостоящего режущего инструментального материала, кроме алмаза и различных композитов на его основе, могут выступать и нанокомпозиты кубического нитрида бора и др. сверхтвердых материалов. Однако в настоящее время в бурении горных пород преимущественное распространение имеют алмазно-твердосплавные пластины. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать работу только двухслойных алмазно-твердосплавных пластин типа АТП.
Положительной и отличительной особенностью предложенного способа эксплуатации двухслойной пластины является неоднократное восстановление ее первоначальной ширины и высоты после неоднократной переточки, например, напайкой или приклеиванием к опорным граням стальных пластинок, компенсирующих износ АТП по высоте и ширине. В результате каждый раз получаем зажимная часть АТП по своей конфигурации и размеру по контурам идентичную исходной. Это обеспечивает постоянство площади зажима, что делает независимым надежность крепления пластин от степени их износа и позволяет максимально использовать алмазный слой в работе пластин в коронке. Благодаря этому, по мере износа и переточки граней удается компенсировать уменьшение площади зажима монолитом спаянных или приклеенных стальных пластинок. Однако этот процесс продолжается до тех пор, пока не начнет в угловой зоне забоя скважины изнашиваться первичная опорная грань АТП, так как дальнейшее бурение приводит к зауживанию скважины. Поэтому пластины снимают с коронки и устанавливают на их место новые.
В результате проведенной компенсации износа пластин путем последовательного прикрепления стальных пластинок получаем трехэлементную пластину. Однако для дальнейшего использования стальную часть удаляют, и остается алмазный слой с твердосплавной подложкой. Следует заметить, что если будет изношена и твердосплавная часть, то оставляют стальную часть в виде хвостовика для закрепления в корпусе любого породоразрушающего инструмента в качестве калибрующего элемента. Это позволяет говорить почти о 100% использовании алмаза в буровой коронке и решении поставленной задачи.
Таким образом, благодаря новому способу эксплуатации двухслойных пластин обеспечивается решение задачи 95-100% использования алмазного слоя в АТП и надежного крепления ее независимо от износа их рабочих кромок.
Предлагаемый способ эксплуатации АТП в коронке имеет следующие преимущества по сравнению прототипом и др. аналогами:
- обеспечивается 95-100% использование дорогого инструментального материала в двухслойных режущих пластинах, например, алмаза в алмазо-твердосплавных пластинах;
- надежность крепления двухслойных пластин в коронках не изменяется по мере их износа;
- значительно уменьшается количество переточек при бурении абразивных пород;
Суть изобретения иллюстрируется на примере двухслойной алмазно-твердосплавной пластины АТП на фиг. 1…12. На фиг. 1 изображена двухслойная пластина, установленная на кольцевой коронке как скважинообразующая; на фиг. 2 - вид на фиг. 1 снизу; на фиг. 3 - износ АТП при бурении малоабразивных пород; на фиг. 4 - установка переточенной АТП с выдвижением из паза на величину износа для выпуска режущих кромок; на фиг. 5 - установка переточенной АТП с выдвижением из паза на величину износа для выпуска калибрующей грани; на фиг. 6 - скважинообразующая пластина АТП с прикрепленной к торцовой опорной грани компенсирующей ее высоту пластинкой 9; на фиг. 7 - вид на фиг. 5 снизу с прикрепленной к боковой опорной грани компенсирующей ширину АТП пластинкой 10; на фиг. 8 - АТП с наслаивающимися друг на друга компенсационными пластинками 9; на фиг. 9 - вид снизу на фиг. 8 с прикрепленными к боковой грани АТП компенсирующими ее ширину пластинками 10; на фиг. 10 - картина достижения опорной гранью АТП начала угловой зоны забоя; на фиг. 11 - выделение механической обработкой остатка АТП для дальнейшего применения в качестве калибрующего элемента породоразрушающих инструментов; на фиг. 12 - износ и самозаточка АТП при бурении абразивных пород.
Объектом эксплуатации является режущая пластина АТП, содержащая алмазный слой 1, подложку 2 (фиг. 1 и 2). Пластины установлены в коронке по схеме скважино- и кернообразующих резцов и закреплены клиньями 3, которые от выпадения зафиксированы стопорами 4, закрепленными к корпусу коронки 5, например, точечной сваркой. Охлаждение и вынос продуктов разрушения осуществляется через промывочные каналы 6.
Рассмотрим случай, когда бурится малоабразивная порода. Алмазный слой под действием осевой силы внедряется в породу и под действием момента вращения снимает слой породы. При этом больше всего изнашивается по торцу и спереди алмазный слой, как наиболее нагруженный (фиг. 3). Твердосплавная подложка, ввиду малоабразивности пород забоя, изнашивается незначительно. В этом случае коронка садится на твердосплавную подложку, и дальнейшее бурение требует очень высоких механических нагрузок. При этом механизм разрушения переходит на истирание, а скорость бурения снижается до минимума, поэтому бурение прекращают. Затем АТП-ы освобождают от зажима клиньев и проводят заточку нижней и боковой граней твердосплавной подложки. Если после заточки установить АТП в пазы, восстанавливая нормальный выпуск режущих кромок по торцу и калибрующих боковых граней по наружному и внутреннему диаметрам коронки, то опорные грани АТП теряют контакт с опорными стенками паза, и образуются воздушные камеры 7 и 8 (фиг. 4 и 5). Из-за этого площадь зажима пластин уменьшается, а осевое и тангенциальное усилие передаются через контакт передней и задней граней АТП с корпусом коронки, и не возникают компенсирующие ответные силам резания реакции опорных стенок паза. Чтобы предотвратить вышесказанное, к опорным граням, противоположным изношенным рабочим, крепят пайкой или клейкой или другим способом пластинки 9 и 10, заполняющие соответствующие пустоты и тем самым компенсирующие уменьшение высоты и ширины АТП, т.е. уменьшение площади ее зажима (фиг. 6 и 7). Необходимо отметить, что при креплении компенсирующих пластинок с боковой стороны, восстанавливается первоначальный диаметр коронки, что не допускает зауживания скважины.
Крепление компенсирующих пластинок проводится преимущественно к твердосплавной подложке, а также может специальными припоями припаиваться и к алмазному слою, если его толщина сравнима с толщиной подложки. В дальнейшем компенсация уменьшения площади зажима осуществляется креплением новых пластин к уже прикрепленным. Как рабочий цикл эксплуатации пластин, прикрепление компенсирующих пластин к опорным граням может повторяться многократно (фиг. 8 и 9). Однако этот цикл прикрепления компенсирующих пластин заканчивается, когда по мере износа торца пластин опорная грань, все больше приближаясь к забою, достигает точки С - начала угловой зоны забоя, т.е. начала зауживания скважины (фиг. 10).
В этом случае дальнейшее бурение приводит к износу корпуса коронки, поэтому бурение завершают. Заметим, что при критическом износе АТП по торцу, износ боковых граней не такой большой, поэтому при отработке коронки определенная часть твердосплавной подложки сохраняется. Кроме того на пластинах, хоть и мало, но по торцу еще остается алмазный слой, поэтому эксплуатация пластин на этом не заканчивается. Пластины снимают с коронки и дополнительно подвергают механической обработке с тем, чтоб подготовить к установке по внешнему и внутреннему диаметру корпуса твердосплавной коронки, при этом ее грань, выполнявшую ранее функции резания, используют в качестве калибрующей стенки скважины (фиг. 11). Следует также принять во внимание, что остаток АТП может применяться в качестве калибрующего элемента и в других породоразрушающих инструментах, например в долотах сплошного бурения, наряду со вставками из алмазного композита Славутич и Твесал.
При бурении абразивных пород алмазный слой и прилежащая к нему часть твердосплавной подложки под действием осевой силы внедряются в породу и под действием момента вращения снимают слой породы. При этом изнашивается спереди алмазный слой и прилежащая к нему твердосплавная часть, образуя режущую кромку. Остальная часть торца изнашивается продуктами разрушения забоя под торцом пластин АТП. Так происходит в первом приближении беспрерывная самозаточка режущей кромки (фиг. 12). При этом критическое уменьшение выпуска АТП приводит к началу износа корпуса коронки, что вынуждает к прекращению бурения. На фиг. 12 пунктирная линия показывает момент критического износа выпуска режущей грани АТП. Поэтому, несмотря на самозаточку, при бурении абразивных пород АТП подвергают также многократной заточке с последующим прикреплением стальных пластинок 9 и 10, компенсирующих износ режущей и калибрующей граней. Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации двухслойных пластин не зависит от абразивности буримых пород.
Предлагаемый способ эксплуатации двухслойных пластин не связан ни с технологией бурения, ни буровой коронкой. Потому не следует думать, что к изношенным пластинам прикрепляют компенсирующие пластинки по ходу бурения, хотя это и возможно. На место изношенных можно устанавливать новые или заранее подготовленные пластины с прикрепленными компенсирующими износ пластинками, а изношенные можно накапливать по мере их отработки для дальнейшего восстановления размера по контуру и конфигурации зажимной части двухслойных пластин.
Источники информации
1. Патент РФ №2359103, МПК Е21В 10/48. Кольцевая буровая коронка [Текст] / Трещев СЛ.; Литкевич Ю.Ф и др. // заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет. - Заяв. 11.12.2007; опубл. 20.06.2010, Бюл. №17.
2. Патент РФ №2422613, МПК Е21В 10/48. Кольцевая буровая коронка [Текст] / А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Е. Асеева и др.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет.- №2009146596/03; заявл. 15.12.2009; опубл. 27.06.2011, Бюл. №18. - С. 839.
3. А.с. РФ №1342605, МПК В23В 27/00. Способ эксплуатации многогранных режущих пластин [Текст] / П.Б. Гринберг, В.М. Лобанов, Л.И. Глотова и др.; заявитель Предприятие П/Я Р-6564. - №4077965/03; заявл. 18.06.1986; опубл. 07.10.1987, Бюл. №37. - С. 36.