Новые технологии повышения эффективности работы алмазного породоразрушающего инструмента

© В.В. Кубасов, 2014

УДК 622.24.051

В.В. Кубасов

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АЛМАЗНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Разработан способ избирательного дробления алмазов в вихревом слое магнитных полей. Способ заключается в обработке в цилиндрической емкости алмазов в вихревом слое магнитных полей совместно с ферромагнитными частицами. Установлено, что обработка низкокачественных природных алмазов в вихревых магнитных полях позволяет существенно повысить их качество, интенсифицировать процесс избирательного дробления алмазов и повысить его производительность.

Ключевые слова: породоразрушающий инструмент, алмазное сырье, алмазная коронка, термообработанная коронка, буримость.

Повышение эффективности работы алмазного породораз-рушающего инструмента является существенным резервом роста производительности бурения скважин [1,2]. За последние годы разработаны и внедрены новые технологии изготовления алмазного породоразрушающего инструмента, заключающиеся в комплексном использовании технического алмазного сырья за счет его упрочнения, а также за счет повышения удерживающей способности матриц инструмента после термической обработки и правильного выбора матричных композиций [3]. На наш взгляд, механическую скорость, возможно, повысить за счет заданного выпуска алмазов, повышения износостойкости матрицы и применения на этой основе более форсированных режимов бурения.

Для того чтобы алмазная коронка наиболее эффективно разрушала породу забоя скважины, между торцом матрицы поверхностью забоя должны проходить выбуренные частицы горной породы (шлам). В импрегни-рованных и многослойных коронках, а также в некоторых конструкциях

однослойных коронок это условие обеспечивается в результате обнажения алмазов за счет преимущественного износа металла матрицы. Первоначальное обнажение алмазов в таких коронках производится путем их заточки на абразиве после пропитки матрицы. Однако этот способ не может гарантировать получение достаточного и определенного по величине выпуска торцевых алмазов. Наилучшие результаты дает изготовление коронок по технологии, обеспечивающей определенный заданный выпуск алмазов из матрицы в процессе изготовления последней.

Для правильного выбора величины выпуска алмазов должны соблюдаться два основных условия. Во-первых, должен быть обеспечен проход шлама под торцом коронки. Во-вторых, выступающие части хрупких по своей природе алмазов не должны скалываться при бурении.

Чем крепче горная порода, тем на меньшую глубину будут внедряться в нее алмазы и тем меньшие размеры будут иметь частицы, которые отделяются от забоя во время бурения. Это

обстоятельство определяет целесообразность использования для бурения более крепких пород коронок с более мелкими алмазами.

В самом деле, в одной и той же ко-роночной матрице можно разместить большее количество мелких алмазов, а значит увеличить число резцов и тем самым повысить эффективность бурения.

Из сказанного ясно, что чем меньше алмазное зерно, тем меньше рациональная величина выпуска его из матрицы коронки. Необходимо учитывать при этом и сортность (качество) применяемых алмазов, так как низкосортные алмазы обладают меньшей механической прочностью.

В.И. Спирин доказал принципиальную возможность повышения работоспособности алмазного инструмента криогенной обработкой, являющейся одним из вариантов такого вида термообработки как термоудар, исследовал влияние термоудара на формирование напряженного состояния в матрице алмазной коронки, разработал методы расчета напряжений, создаваемых в матрице при термоударе, и оценки уровней максимальных напряжений, создаваемых в результате термоудара, исследовал остаточные напряжения и структурные характеристики матрицы алмазной коронки после термоудара, сформировал версию механизма упрочнения алмазного инструмента при термоударе, наметил рациональные режимные параметры криогенной обработки коронок.

Результаты исследования позволили рекомендовать при изготовлении алмазного породоразрушающего инструмента комплексную термическую обработку, включающую в себя термоудар от повышенных температур до конечной температуры (от 350 °С до 20 °С) и криогенную обработку (от -196 °С до 20 °С).

Термическая обработка в заданных режимах обеспечивает формирование в матрице оптимального уровня напряжений сжатия и их сохранение при нагреве до температур нормальной эксплуатации инструмента. В присутствии напряжений сжатия включения в матрице, в том числе и алмазные зерна, удерживаются в среде не только за счет сил адгезии, но и в следствии механического удерживания окружающими объемами связки.

Комплексная термообработка приводит так же к существенному увеличению прочности алмазных зерен. Так результаты испытаний алмазных зерен (монокристаллы алмазов группы XV «а» 1, 60-40 шт/кар) на прочность, проведенные в ИФВД РАН показали, что их прочность после комплексной термообработки увеличилась на 15%.

Экспериментальное бурение показало, что износостойкость термообра-ботанных коронок выше стандартных на 21,5-39,0%. Наибольшее повышение достигается после комплексной термообработки, при бурении пород повышенной категории по буримости.

В настоящее время широкое распространение получило использование технических алмазов низких сортов при изготовлении алмазного инструмента. Для повышения качества алмазного сырья в практике применяется технологические процессы избирательного дробления и овализации низкосортных алмазов. Эти процессы осуществлялись на установках УДА-ЗМ, где в качестве рабочей энергии использовался сжатый воздух, подающийся под давлением (Р = 0,6 МПа) на вход инжектора.

В ОАО «Тульское НИГП» с участием автора основе проведенных исследований был разработан способ избирательного дробления алмазов в вихревом слое магнитных полей. Этот способ заключается в обработке в ци-

линдрической емкости алмазов в вихревом слое магнитных полей совместно с ферромагнитными частицами. При этом смесь, состоящая из ферромагнитных зерен занимает цилиндрическую емкость на 0,25^0,35 ее объема, а магнитная восприимчивость алмазов определяется по зависимости от радиусов алмазного зерна и ферромагнитной частицы, напряженности магнитного поля, и ускорением свободного падения.

Цилиндрическая емкость с алмазными зернами устанавливается во вращающемся магнитном поле аппарата вихревого слоя (АВСП). В нее погружают также рабочее тело - ферромагнитные цилиндрические элементы. При работе аппарата АВСП цилиндрическая емкость совершает возвратно- поступательные движения вдоль своей оси. Находящееся в цилиндрической емкости рабочие тела во взвешенном состоянии образуют большое число встречных потоков. Под действием магнитных полей ферромагнитные элементы приходят во вращение и с высокой интенсивностью взаимодействуют с алмазными зернами, производя их дробление, и в первую очередь наиболее ослабленных различными деформациями.

В результате исследований, обработка низкокачественных природных алмазов в вихревых магнитных полях позволяет существенно повысить их качество, интенсифицировать процесс избирательного дробления алмазов и повысить его производительность по сравнению с применением установки УДА-ЗМ.

Кроме того безвозвратные потери алмазного сырья после обработки в АВСП составили 3,9% по сравнению с 4,6% на УДА-ЗМ (при установленном нормативе 5%).

Предложенный метод по обработке низкосортного алмазного сырья принят к производству на предприя-

тии для повышения качества алмазов. Рекомендации по применению алмазного сырья после обработки обеспечивают увеличение полноты его использования.

Фракции ситового размера -1600+ + 1000 мм разделяются по ситовому классу 50-30 шт/карат и 60-40 шт/ карат и используются в подрезном слое матрицы при изготовлении алмазных коронок.

Фракции ситового размера -1000+ +500 мм разделяются по ситовому классу 120-90 шт/карат, 200-150 шт/ка-рат и 400-200 шт/карат и используются в импрегнированном объемном слое матрицы при изготовлении алмазных коронок.

Фракции ситового размера -0,500+ +0,125 мм представлены обломочным материалом изометрической формы и используются в качестве наполнителя в подрезном и объемном слое матрицы.

Фракции ситового размера менее 0,125 мм состоят из мелких алмазных частиц, полученных в результате скола краев более крупных алмазов и используются также в качестве наполнителя в подрезном и объемном слое матриц.

Дополнительное армирование подрезного и объемного слоя матриц алмазных коронок мелкими алмазами приводит к повышению их износостойкости.

Так же для повышения проходки на породоразрушающий инструмент не малую роль играет повышение демпфирующей способности матриц.

Проведенные расчеты ОАО «Тул-НИГП» выявили, что уровень относительного рассеяния энергии (демпфирующей способности) композиционного сплава ВК6м зависит от размера зерна ШС (релита) и при его размерах -0,4 мм превышает демпфирующую способность вибропоглощающего псевдосплава Д30-МП во всем изученном интервале рабочих амплитуд напряжений.

Псевдосплав ВК6м относится к материалам с выраженной гетерогенной структурой и основными механизмами демпфирования являются микродеформация «мягкой» структурной составляющей (связки) и скольжение межфазных границ в поле действующих напряжений. Основными путями повышения демпфирующей способности материала алмазных коронок на основе ВК6м являются:

• оптимизация состава связующего материала по параметру Сугимото, учитывающего его индекс демпфирования и прочностные характеристики;

• регулирование формы и размера зерен релита и порошка карбида вольфрама.

Опытным путем установлено, что максимальная эффективность гашения вибрации, воздействующих, на алмазные зерна, достигается в матрице коронки при отношении линейных размеров частиц твердосплавной шихты порошка карбида вольфрама и износостойкого твердосплавного наполнителя (релита) в пределах от 1:15 до 1:25, а общих площадей их поверхности от 40:1 до 48:1 и дополнительной армировки матриц мелкими алмазами.

Такая конструкция коронки позволяет обеспечить разные затраты времени на прохождение упругой волны по высоте матрицы, т.е. приводит к разрушению (разрыву) единого фронта ее распространения. А за счет различных размеров и площадей поверхности частиц твердосплавной шихты и твердосплавного наполнителя отражается и рассеивается энергия упругих волн от поверхности частиц,

что повышает эффективность гашения вибрации.

При этом следует учитывать, что пределы отношений линейных размеров и площадей шихты и наполнителя имеют конкретное значение, определяющееся твердостью ИКС матрицы, являющейся основным показателем ее свойств. Практически это ограничение выражается условием:

40ИКС > 1/15-1/25 и 1/40-1/48 > 20ИКС

Таким образом, используя вышеописанные методы, в особенности криогенную обработку коронок, мы сможем добиться повышения эффективности работы алмазного породо-разрушающего инструмента (ПРИ) и применение форсированных режимов бурения, а также снижение стоимости инструмента из-за возможности применения относительно дешевого низкосортного технического алмазного сырья.

Вместе с тем следует заметить, что для более широкого внедрения криогенной обработки в геологоразведочное производство необходимо решение целого ряда вопросов: установление оптимальных режимов криогенной обработки (температура, время выдержки, расход жидкого азота); определение распределения температуры жидкого азота при криогенной обработке ПРИ по высоте установки для криогенной обработки, и от времени обработки инструмента; изучение влияния этих факторов на формирование напряженного состояния в матрице и алмазах.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блинов Г.А., Васильев В.И., Гла- 2. Спирин В.И., Будюков Ю.Е. Куба-

зов М.Г. и др. Алмазосберегающая техноло- сов В.В. Новые технологии повышения ра-гия бурения. - Л.: Недра, 1989. ботоспособности алмазного породоразруша-

ющего инструмента // Экономика XXI века, 3. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спи-

инновации, инвестиции, образование. - рин В.И. Алмазный породоразрушающий ин-2013. - № 2. струмент. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. ЕТН

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Кубасов Владимир Викторович - аспирант,

Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: office@mgri-rggru.ru.

UDC 622.24.051

NEW TECHNOLOGIES FOR ENHANCING EFFICIENCY OF A DIAMOND ROCK-CUTTING TOOL

Kubasov V.V., Graduate Student,

Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), e-mail: office@mgri-rggru.ru.

The method of selective crushing of diamonds in vortex layer of magnetic fields has been developed. The method consists in treating diamonds in vortex layer of magnetic fields together with ferromagnetic particles in a cylindrical reservoir. It is found that treatment of low quality diamonds in vortex magnetic fields improves quality of diamonds, intensifies selective crushing of diamonds and enhances efficiency of selective crushing.

Key words: rock-cutting tool, diamond raw material, diamond bit, thermal-treated bit, drillability.

REFERENCES

1. Blinov G.A., Vasil'ev V.I., Glazov M.G. Almazosberegayushchaya tekhnologiya bureniya (Diamond-saving drilling technology), Leningrad, Nedra, 1989.

2. Spirin V.I., Budyukov Yu.E. Kubasov V.V. Ekonomika XXI veka, innovatsii, investitsii, obrazovanie, 2013, no 2.

3. Budyukov Yu.E., Vlasyuk V.I., Spirin V.I. Almaznyi porodorazrushayushchii instrument (Diamond rock-cutting tool), Tula: IPP «Grif i K», 2005.

A