РЕЖУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ
CUTTING ELEMENT FOR EQUIPPING DRILL BITS

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкции долот для бурения подземных пород.
Одним из типов буровых долот, активно используемых в практике бурения горных пород, являются роторные долота режущего типа. В их конструкции можно выделить стальной корпус, оснащенный режущими элементами (резцами), установленными на наружной поверхности корпуса. Повышение ресурса работы таких долот достигается использованием поликристаллических алмазных резцов (PDC), представляющих собой двухслойную пластину, состоящую из пластины твердого сплава, на поверхности которого сформирован слой поликристаллического алмаза [Зайцев В.И., Карликов А.В., Че В.В. Эффективность использования долот PDC. Известия Сибирского отделения Секции наук о земле РАЕН, №5, 2014, с. 58-65]. Одним из направлений дальнейшего совершенствования PDC-долот является применение в конструкции бурового долота более эффективных режущих элементов (резцов), обладающих высокой износостойкостью и низкой трудоемкостью изготовления.
Известен режущий элемент для бурения подземных пород [Патент РФ №2680275, опубл. 19.02.2019], выбранный авторами в качестве ближайшего аналога. Известный режущий элемент включает несущую металлическую подложку и прикрепленный к ее торцу поликристаллический элемент. Несущая подложка выполнена в виде цилиндра небольшой высоты, изготовленного из твердого сплава. Поликристаллический элемент выполнен из слоя поликристаллического сверхтвердого материала (алмаз, кубический нитрид бора и др.) толщиной 1-4 мм. Изготовление режущего элемента осуществляют в аппаратах высокого давления путем спекания в условиях «высокая температура/высокое давление» (например, 1400°С и 5 ГПа, соответственно) слоя частиц сверхтвердого материала помещенного на поверхность несущей (твердосплавной) подложки.
Недостатками известного технического решения является недостаточно высокая термостойкость режущего элемента, связанная с малым размером (около 30 мкм) кристаллов сверхтвердого материала, формирующих поликристаллическую структуру, а также присутствием в поликристаллической структуре катализатора спекания, способствующего протеканию процессов графитизации отдельных зерен при повышенных температурах. Малый размер зерен сверхтвердого материала не обеспечивает высокой режущей способности поликристаллического слоя, особенно по горным породам повышенной и высокой твердости, из-за низкой абразивной способности таких зерен. Существует сложность закрепления известного режущего элемента в некоторых типах долот, связанная с ограниченной высотой элемента, определяемой особенностью его изготовления в аппаратах высокого давления. Кроме того, использование аппарата высокого давления при изготовлении режущего элемента определяет высокую трудоемкость его изготовления, что снижает эффективность применения его в долотах.
Задачей изобретения является режущий элемент, обладающий повышенной термостойкостью, режущей способностью и обеспечивающий повышение эффективности его использования при изготовлении долот за счет расширения диапазона размеров элемента и снижения трудоемкости его изготовления.
Технический результат достигается тем, что режущий элемент для оснащения буровых долот состоит из металлической несущей основы диаметром от 10 до 30 мм и закрепленного на ней режущего слоя из сверхтвердого композиционного материала толщиной не менее 1 мм, сформированного из зерен алмаза, кубического нитрида бора или их смеси размером не менее 100 мкм с их содержанием в режущем слое 50-75% об., соединенных между собой трехкомпонентным металлическим связующим на основе меди и двух металлов из группы олово, титан, никель, марганец, при этом содержание меди в связующем составляет не менее 60% масс., а содержание каждого из двух других металлов составляет 5-20% масс.
При размере зерен алмаза или кубического нитрида бора, входящих в структуру режущего слоя, менее 100 мкм, а также при содержании в нем указанных зерен менее 50% об., режущий элемент имеет недостаточно высокую режущую способность. Режущий элемент с содержанием зерен алмаза или кубического нитрида бора, входящих в сверхтвердый композиционный материал, более 75% об. изготовить практически не удается. Применение трехкомпонентных сплавов в качестве металлического связующего позволяет увеличить его твердость и износостойкость. Содержание каждого из металлов из группы олово, титан, никель, марганец не должно быть менее 5% масс., т.к. при этом не обеспечивается необходимая износостойкость режущего слоя. При этом содержание каждого из металлов из группы олово, титан, никель, марганец не должно быть более 20% масс., т.к. это приводит к охрупчиванию связующего и снижает стойкость режущего элемента к ударным воздействиям.
Предпочтительно, чтобы несущая основа режущего элемента имела форму цилиндра или усеченного конуса высотой от 10 до 50 мм. Высота несущей основы режущего элемента определяется конструкцией долота.
Более предпочтительно применение несущей основы высотой 20-50 мм, что позволяет упростить закрепление режущего элемента в корпусе долота и снизить температурное воздействие на режущий слой при использовании пайки для закрепления режущего элемента. Кроме того, при использовании режущего элемента с конической несущей основой большой высоты, элемент может быть закреплен в корпусе долота, например, путем механического закрепления (запрессовки) в коническое отверстие корпуса.
Предпочтительно, чтобы несущая основа режущего элемента была выполнена из стали. Применение стали в качестве материала несущей основы позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления режущего элемента.
Предпочтительно, чтобы размер зерен в режущем слое режущего элемента был более 300 мкм. При использовании сверхтвердых зерен размером более 300 мкм в структуре режущего слоя повышает его термостойкость и увеличивает ресурс работы элемента.
Предпочтительно, чтобы поверхность раздела несущей основы и режущего слоя имела рельеф, увеличивающий площадь контакта между несущей основой и режущим слоем.
Предлагаемый режущий элемент имеет форму цилиндра или усеченного конуса и состоит из металлической несущей основы и режущего слоя толщиной не менее 1 мм, закрепленного на одном из оснований основы. Несущая основа изготовлена из твердого сплава, стали или другого жаропрочного сплава. Если несущая основа имеет форму цилиндра, то его диаметр от 10 до 30 мм. Если основа имеет форму усеченного конуса, то диаметр каждого из его оснований лежит в диапазоне от 10 до 30 мм. Высота несущей основы от 10 до 50 мм. Структура режущего слоя построена частицами сверхтвердого материала (алмаз, кубический нитрид бора или их смесь) размером не менее 100 мкм, связанных между собой сплавом на основе меди и двух металлов из группы олово, титан, никель, марганец.
Перед использованием режущего элемента его закрепляют в корпусе долота роторного типа. Для этого в корпусе предусмотрены отверстия или посадочные места, в которые режущие элементы закрепляют пайкой или механическим закреплением, например, запрессовкой. Режущий элемент устанавливают таким образом, чтобы при вращении долота режущий слой входил в контакт с разрушаемой породой.
Режущий элемент работает в составе долота, при вращении которого в формируемой буровой скважине режущий слой механически воздействует на разрушаемую породу и приводит к ее разрушению за счет резанья, скалывания, абразивного износа.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.
Режущий слой предлагаемого режущего элемента состоит из относительно крупных зерен (более 100 мкм) сверхтвердого материала, в отличие от известного технического решения, в котором используются зерна размером менее 30 мкм. Крупные зерна имеют более высокую термостойкость, т.е. сохраняют свою прочность и абразивную способность при долговременном воздействии высоких температур, которые в зоне резанья могут достигать 600°С и выше. За счет этого обеспечивается большая термостойкость режущего элемента и связанный с ней повышенный ресурс его работы. Относительно большой размер зерен в режущем слое обеспечивает возможность работы режущего элемента по породам более высокой твердости за счет дополнительно к режущему воздействию абразивного воздействия на обрабатываемую породу.
Связующим для частиц сверхтвердого материала в режущем слое является сплав на основе меди и двух металлов из группы олово, титан, никель, марганец, обеспечивающий, как установлено в ходе экспериментов, не только прочное закрепление зерен в режущем слое, но и закрепление режущего слоя на поверхности несущей основы. Режущий слой, содержащий металлическое связующее, обладает значительно большей устойчивостью к ударным воздействиям по сравнению с хрупким поликристаллическим слоем, использованным в известном техническом решении. Это связано с большей диссипацией энергии удара предлагаемого в качестве режущего слоя сверхтвердого композиционного материала, не приводящего к разрушению зерен при ударном воздействии за счет демпфирования такого воздействия относительно пластичной металлической связкой, расположенной между зернами.
Использование в режущем слое зерен кубического нитрида бора или смеси зерен алмаза и кубического нитрида бора повышает работоспособность режущего элемента при бурении железосодержащих пород. Каталитическое воздействие железа на алмазные материалы приводит к их быстрой графитизации и разрушению, тогда как такое воздействие на кубический нитрид бора не происходит.
Использование режущих элементов с несущей основой большой высоты цилиндрической или конической формы упрощает их закрепление в корпусе долота, а использование несущей основы из стали существенно снижает трудоемкость изготовления.
Изготовление предлагаемого режущего элемента осуществляют без использования аппарата высокого давления. При изготовлении режущего элемента подготовленную несущую основу устанавливают вертикально в технологическую оснастку, на поверхность несущей основы (т.е. на одно из ее оснований) располагают последовательно слой сверхтвердых зерен и слой связующего (сплава на основе меди и двух металлов из группы олово, титан, никель, марганец,). Затем осуществляют термообработку подготовленной партии описанных выше полуфабрикатов в вакуумной печи при температуре 900-1200°С. При этом происходит расплавление связующего, его инфильтрация в слой зерен сверхтвердого материала, связывание зерен и формирование тем самым режущего слоя. Одновременно с этим происходит закрепление (припаивание) режущего слоя сплавом (металлическим связующим) на поверхности несущей основы. Для повышения прочности закрепления режущего слоя на поверхности несущей основы она может иметь рельеф, увеличивающий площадь контакта между несущей основой и режущим слоем. Возможность изготовления режущих элементов партиями с использованием более простого технологического оборудования снижает трудоемкость изготовления режущего элемента.
Следующие примеры поясняют сущность предложенного технического решения.
Пример 1. Режущий элемент для оснащения буровых долот имеет цилиндрическую форму. Диаметр элемента - 19 мм, высота элемента - 22 мм. Режущий элемент состоит из несущей основы из твердого сплава марки ВК8 диаметром 19 мм и высотой 20 мм и режущего слоя диаметром 19 мм и высотой 2 мм, закрепленного на поверхности одного из оснований цилиндрической несущей основы. Режущий слой состоит из зерен алмаза размером от 400 до 500 мкм. Содержание зерен в режущем слое 73% об. Металлическое связующее в режущем слое трехкомпонентное: медь - 75% масс., олово - 20% масс., титан - 5% масс. Режущий элемент подвергнут испытаниям на режущую способность по обработке габбро-диабаза при следующих условиях: скорость резанья - 120 м/мин, глубина резанья - 3 мм. Износ режущего элемента составил 12 мг на 1 кг срезанного габбро-диабаза. После испытаний режущий элемент был нагрет пламенем газовой горелки до температуры 750°С в течение 3 минут, а затем был снова подвергнут испытанию на режущую способность в тех же условиях. Износ режущего элемента не изменился и составил 12 мг на 1 кг срезанного габбро-диабаза.
Пример 2. Режущий элемент для оснащения буровых долот имеет форму усеченного конуса. Диаметр большого основания - 30 мм, диаметр малого основания 26 мм высота элемента - 53 мм. Режущий элемент состоит из несущей основы в форме усеченного конуса из стали марки Р6М5 с диаметром большого основания 30 мм, диаметром малого основания 26 мм и высотой 50 мм и режущего слоя диаметром 30 мм и высотой 3 мм, закрепленного на поверхности большого основания конической несущей основы. Поверхность между несущей основой и режущим слоем имеет рельеф в виде двух взаимно перпендикулярных пазов шириной 2 мм и глубиной 1,5 мм, сформированных на поверхности несущей основы, ориентированных по диаметру основания несущей основы. Режущий слой состоит из смеси в равных массовых долях зерен алмаза размером от 250 до 200 мкм и зерен кубического нитрида бора размером от 100 до 125 мкм. Содержание зерен в режущем слое 52% об. Металлическое связующее в режущем слое трехкомпонентное: медь - 60% масс., никель - 20% масс., марганец - 20% масс. Режущий элемент подвергнут испытаниям на режущую способность по обработке гранита при следующих условиях: скорость резанья - 80 м/мин, глубина резанья - 2 мм. Износ режущего элемента составил 16 мг на 1 кг срезанного гранита.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает создание режущего элемента для оснащения буровых долот, обладающего высокой термостойкостью, режущей способностью и обеспечивающий повышение эффективности его использования при изготовлении долот за счет расширения диапазона размеров элемента и снижения трудоемкости его изготовления.