СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ КОРПУСОВ АЛМАЗНЫХ БУРОВЫХ ДОЛОТ
METHOD OF REINFORCING HOUSINGS OF DIAMOND DRILLING BITS

Изобретение относится к области буровой техники и используется при строительстве скважин в глубоком и сверхглубоком бурении.
Стойкость и показатели бурения алмазными долотами, в том числе долотами с породоразрушающими элементами в виде поликристаллических алмазных таблеток, прямо зависит от способности элементов вооружения сопротивляться абразивному износу припоя, участков лопастей вокруг этих элементов, а также вырывающим усилиям, стремящимся разрушить систему крепления этих породоразрушающих элементов. В частности, абразивный износ стальных участков лопастей, расположенных вокруг режущих и калибрующих элементов, а также припоя, удерживающего их от вырывания, способствует оголению, увеличению размера выступания и постепенному выпадению отдельных элементов. В свою очередь абразивный износ самих режущих элементов приводит к уменьшению удельного давления от их воздействия на породу, т.е. к уменьшению механической скорости бурения и проходки на долото.
Для уменьшения абразивного износа элементов вооружения алмазных долот применяются различные способы.
Известен способ армирования корпусов алмазных долот, принятый за аналог [1]. Этот способ заключается в защите лопастей и калибрующих поверхностей различными схемами установки самих породоразрушающих элементов с таблетками PDC с целью максимального перекрытия радиуса забоя при работе долота. Эти элементы играют роль первого эшелона. Другой тип алмазных зубков практически породу не разрушают, а используются в качестве защитного второго эшелона, армируя поверхности сзади породоразрушающих элементов или пространства между ними. При этом зубки второго эшелона могут одновременно с армирующим воздействием служить в качестве ограничителей текущей глубины врезания в породу долота за один оборот, уменьшая при этом моментоемкость долота и нагрузку на породоразрушающие элементы с таблетками PDC. К недостаткам долота следует отнести то, что перекрыть всю армируемую поверхность отдельно расположенными вставками все же не удается. Поверхности корпусов и лопастей алмазных долот, не защищенные дополнительными вставками, подвергаются интенсивному абразивному износу.
Известен также другой способ армирования корпусов алмазных буровых долот [2], принятый за прототип. Этот способ заключается в том, что в дополнение способа по аналогу поверхности на корпусе и лопастях, не защищенные вставками, армируют наплавляемым защитным покрытием в виде твердых вольфрамовых карбидов на металлосвязке. При этом на поверхностях корпуса, подлежащих армированию, выполняют отверстия под вставки PDC обоих видов, в эти отверстия вставляют графитовые пробки, производят предварительный подогрев корпуса долота в пределах 400°С, производят при 950°С÷1000°С наплавку пространства между графитовыми пробками с набегающей и сбегающей сторон смесью порошка из износостойких карбидов типа вольфрамовых на металлосвязке типа кобальтовой, удаляют графитовые пробки, на их место помещают все вставки PDC, запаивают их припоем при температуре не более 650°С, поскольку большая температура начинает влиять на прочностные свойства поликристаллических алмазов. Затем производят отпуск при температуре около 280°С.
Достоинством этого способа является улучшение армирующих свойств за счет наплавки пространства между вставками твердосплавным порошком. Однако и у этого способа имеются недостатки. Первый из них состоит в том, что наличие мягкой металлосвязки, в состав которой входят кобальт, никель, железо и др., снижает твердость до 52÷58 HRC, а значит и износостойкость наплавленного слоя. Второй недостаток - малая стойкость припоя, которым фиксируется положение поликристаллических алмазных вставок в гнездах. Во время работы долота на забое абразивному износу от контакта с забоем скважины и от воздействия бурового раствора с частицами выбуренной породы и наплавленный слой, и припой постепенно разрушаются, поликристаллические алмазные вставки оголяются, что приводит к их выпадению из гнезд и снижению показателей работы долот.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности защиты корпусов и лопастей алмазных долот от абразивного износа, повышение стойкости и показателей работы долот в целом.
Указанный технический результат достигается применением способа армирования корпусов алмазных долот, включающего токарную и фрезерную обработку составных частей и полостей корпуса, в том числе каналов для подвода промывочной жидкости к лопастям и режущим кромкам вставок с PDC, обработку гнезд под эти вставки, плотную установку в эти гнезда графитовых пробок, при этом предварительно подогревают корпус до температуры в пределах 400°С, производят наплавку пространств между пробками с набегающей и сбегающей сторон износостойким сплавом типа вольфрамокобальтового, после наплавки и остывания корпуса графитовые пробки удаляют, вместо них устанавливают вставки с PDC, запаивают их при температуре не выше 650°С, после охлаждения производят низкий отпуск при температуре около 280°С, а затем всю поверхность корпуса покрывают напылением износостойкого защитного покрытия с твердостью до HRA 72, одним или несколькими слоями до достижения заданной проектной толщины 0,2÷1,5 мм.
При толщине защитного покрытия более 0,2 мм выполняют микровыглаживание неравномерности нанесенного слоя с помощью алмазного инструмента.
Перечень фигур чертежей. На примере фиг.1 показано армирование корпуса алмазного бурового долота, принятого за аналог. На фиг.2 показано армирование корпуса алмазного бурового долота, принятого за прототип. На фиг.3 показан разрез фрагмента лопасти со схемой армирования по прототипу. На фиг.4 на разрезе фрагмента лопасти изображена схема армирования по предлагаемому способу. На фиг.5 показана схема армирования корпуса по предлагаемому способу на общем виде алмазного бурового долота.
На фиг.1 (аналог) позицией 1 обозначены породоразрушающие элементы с PDC первого эшелона, позицией 2 - вставки PDC второго эшелона, использующиеся как армирующие защитные. Позицией 3 обозначен корпус, позицией 4 - ниппель с резьбой 5 для соединения долота с колонной бурильных труб, 6 - каналы для подвода промывочной жидкости к забою, лопастям и режущим кромкам вооружения долота. На фиг.2 (прототип) позицией 7 обозначены породоразрушающие элементы с PDC; позицией 8 - вставки, армирующие поверхности лопастей; 9 - корпус; 10 - ниппель; 11 - присоединительная резьба; 12 - каналы для подвода промывочной жидкости к забою; 13 - наплавка твердого сплава на лопасти между вставками 7 с набегающей стороны; 14 - наплавка твердого сплава на лопасти со сбегающей стороны. На фиг.3 (прототип) обозначены позициями: 15 - породоразрушающие элементы с PDC; позицией 16 - вставки с PDC, армирующие поверхности лопастей; 17 - фрагмент лопасти долота в разрезе; 18 - наплавленный слой твердого сплава с набегающей стороны лопасти; 19 - наплавленный слой твердого сплава со сбегающей стороны лопасти.
На фиг.4 (предлагаемый способ) показаны позициями: 15 - породоразрушающие элементы с PDC; 16 - вставки с PDC, армирующие поверхности лопастей; 17 - фрагмент лопасти долота в разрезе; 18 - наплавленный слой твердого сплава с набегающей стороны лопасти; 19 - наплавленный слой твердого сплава со сбегающей стороны лопасти. Позицией 20 обозначено износостойкое покрытие микротвердостью до HRA 72, толщиной 0,2÷1,5 мм, одним или несколькими слоями на всю поверхность лопастей 17 и межлопастных впадин 23 (см. также фиг.5). На фиг.5 на общем виде показано схематическое положение долота после наплавки слоев 18 и 19 (фиг.4) при вторичном нанесении износостойкого покрытия напылением. Позицией 21 обозначена наплавочная пушка, позицией 22 - распыляемая струя порошка износостойкого материала для получения твердости до HRA 72. Условием применения предлагаемого способа является максимально допустимый нагрев долота до температуры 600°С-610°С, поскольку температура пайки породоразрушающих и армирующих элементов с PDC регламентируется величиной, равной 650°С.
2
Установка долота в приспособлении (не показано) базируется на конической резьбе и резьбовом упорном торце в шумоизолированной взрывобезопасной камере. Вращение долота вокруг оси и возможность перемещения пушек по 6 степеням свободы обеспечивают нанесение на всю рабочую поверхность корпуса, включая набегающие и сбегающие поверхности лопастей и все межлопастные пространства износостойкого материала с адгезией не менее 10 кг/мм.
Диаметр сопла пушки 21, расстояние от него до армируемой поверхности, режимы работы, свойства исходных материалов, подготовка поверхности и толщина напыляемого слоя определяются опытным путем, исходя из требований к работоспособности долота, в зависимости от его размеров и абразивности разбуриваемых пород.
Методы и установки для нанесения износостойкого материала могут быть различными, в зависимости от выбираемых качества слоя и затрат.
2
Один из таких методов - высокоскоростное газотермическое напыление порошкообразного материала для получения износостойкого покрытия толщиной 0,1÷1,5 мм и более с микротвердостью HV=1100÷1250 кгс/мм. В качестве наносимых защитных износостойких материалов могут применяться карбиды хрома, титана, вольфрама, дисульфид вольфрама и другие износостойкие высокотвердые материалы.
Другим методом нанесения износостойкого защитного покрытия является «холодное» детонационное напыление, при применении которого значительного нагрева, характерного для предыдущего метода, не происходит.«Холодное» детонационное напыление - это процесс, при котором для разогрева и разгона твердого порошкообразного материала используется энергия газового взрыва. В пушку, заполненную газовой смесью ацетилена и кислорода, вспрыскивается напыляемый порошок и электрической искрой возбуждается детонация. При температуре в зоне взрыва около 4000°С со скоростью более 1000 м/сек разогретые до плавления частицы порошка попадают на поверхность армируемой детали. При этом обеспечивается микросварка и порошок на молекулярном уровне соединяется с поверхностью детали, образуя разовый слой толщиной 8-10 мкм. Необходимое увеличение толщины слоя напыления (армирования) достигается серией пушечных выстрелов. При этом суммарный напыленный слой толщиной до 1,5 мм и более обладает теми же свойствами, что и разовый.
В качестве напыляемых материалов применяются все износостойкие материалы, как и для указанного выше метода.
Наилучшая адгезия слоя для вышеуказанных методов наблюдается, когда ось пушки располагается перпендикулярно армируемой поверхности. Такое положение пушки относительно поверхностей корпуса долота и лопастей достигается совместными перемещениями корпуса 3 и пушек 21, обеспечиваемыми компьютерным манипулятором по программе на базе 3D-модели долота.
В качестве следующего возможного метода армирования поверхностей корпуса долота и лопастей может применяться электроискровое легирование электродом, при котором осуществляется пульсирующий ударный контакт электрода с армируемой поверхностью. К достоинствам этого метода необходимо отнести отсутствие специальных шумоизоляционных и взрывобезопасных камер, характерных для предыдущих методов, коэффициент использования электрода самый высокий - 0,99 (против 0,4÷0,5 у предыдущих методов), полностью исключается возможность перегрева корпуса и припоя. Стоимость электродов на порядок ниже порошков, применяемых для первого и второго методов. К недостаткам третьего метода можно отнести значительно меньшую производительность способа и возможность получения толщины армируемого слоя до 0,6 мм.
Перед нанесением материала, армирующего поверхности, при любом из перечисленных методов должны быть соответствующим образом подготовлены поверхности - очищены от окалины и ржавчины, заусенцев, трещин, раковин, масла и обезжирены.
Применение предлагаемого способа обеспечивает нанесение вторичного слоя высокотвердого, износостойкого материала необходимой толщины методом напыления или с помощью легирования электродом и позволяет решить поставленную задачу - значительно увеличить твердость на поверхности корпуса, лопастей и межлопастного пространства - практически до твердости металлокерамического твердого сплава, что позволяет резко повысить износостойкость и долот в целом. При отработке опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением предлагаемого способа армирования алмазных буровых долот с твердостью нанесенного покрытия до HRA 72 ед., наблюдалось значительное увеличение стойкости вооружения и проходки на долото. Кроме того, появилась реальная возможность автоматизировать, ускорить и удешевить трудоемкую операцию вторичного армирования корпусов алмазных буровых долот.
Источники информации
1. Композит-каталог «Буровые долота» фирмы «Хьюз Кристенсен» (США), 2004 г., стр.32.
2. Каталог «Буровые долота. Калибраторы. Центраторы» ОАО «Волгабурмаш», 2007 г., стр.41.