РОЗДІЛ 2
КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ АЛМАЗНИХ БУРОВИХ ІНСТРУМЕНТІВ
ТА ДОСЛІДЖЕННЯ СИЛОВИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ
Використання алмазів в складі композитів, істотна відмінність їх фізико-механічних властивостей від аналогічних властивостей порошкових матеріалів вносять визначену специфіку в теорію спікання і зношування НКАМ. Більшість унікальних властивостей алмаза, таких, як найвища серед відомих речовин твердість, теплопровідність, зносостійкість, низький коефіцієнт термічного розширення, високі хімічні і термічні стійкості, можуть реалізувати в НКАМ тільки при правильному визначенні хімічного складу вихідних речовин і p - T - t умов спікання. Окрім того, такі матеріали повинні мати високе алмазоутримання за рахунок наявності досить міцних хімічних зв'язків на границях контакту алмаз - матриця і особливим станом матриці навкруг алмазів, а також мати можливість до самозагострювання і змочування. З іншої сторони, при вирішенні контактних задач термопружності за наявності зношування контактних тіл в кінетичні рівняння і розрахункові співвідношення входять різні характеристики пари тертя: мікрогеометрія поверхонь контакту, кінематичні і силові параметри, фізико-механічні властивості матеріалів, умови взаємодії і охолоджувального середовища. В процесі буріння гірських порід алмазними долотами, інтенсивної дії силових і температурних полів, проходить відхилення цих характеристик від їх середніх значень. Ці обставини привносять істотні неточності при розрахунках кінетики зношування і, як наслідок, до похибок при визначенні властивостей композиційних матеріалів. В цьому разі справедливіше в розрахункових співвідношеннях використовувати деякі величини, які інтегрально враховують їх сукупність і визначаються безпосередньо з експерименту. Тоді ці величини дозволять точніше відображати процеси, які відбуваються при бурінні і зношуванні. Для цього слід детально ознайомитися з конструктивними особливостями такого інструменту.
В цьому розділі подано класифікацію і конструктивні особливості алмазних бурових інструментів Інституту надтвердих матеріалів НАН України та викладено методики експериментального дослідження силових і енергетичних параметрів, а також зношування бурових вставок з НКАМ залежно від хімічного складу, мікрогеометричних характеристик алмазів і геометрії алмазного шару, а також умов випробування.
2.1. Основна класифікація
Буровий інструмент виробництва ІНМ НАН України розподіляється на бурові долота, які призначаються для формування стовбура свердловини суцільного вибою (рис.2.1, а, б, в; 2.2, а, в, г), бурильні головки - для формування стовбура
Рис. 2.1. Буровий інструмент мікроріжучого типу: а - ІНМ-292,2; б - ІНМ-214, МС; в - ІНМ-214,3 Т; г - ІНМ-214,3/80 МС; д - ІНМ-215,9/100 С; е - ІНМ-214,3/80 С.
свердловини з одночасним вибурюванням з гірської породи циліндричного керна (рис. 2.1, г, д, е; 2.2, б, д), а також бурового інструменту спеціального технологічного призначення. Останній вид інструменту має широкий спектр застосування і розподіляється на:
- зарізні долота (рис. 2.3, а), які призначаються для зарізання бокових стовбурів при похило-скерованому, горизонтальному бурінні або в аварійних ситуаціях;
- фрезера кільцеві (рис. 2.3, б), які призначаються для зовнішнього розбурювання колони труб чи інших предметів з наступним витягуванням їх із свердловини за допомогою спеціальних технологічних способів;
- фрезера вибійні (рис. 2.3, в), які застосовуються для розбурювання металевих залишків на вибої свердловини, колони труб (у разі неможливості їх витягувань
із свердловини), пакерів, цементних пробок, тощо;
- калібратори наддолотні (рис. 2.3, д) і колонні (рис. 2.3, г), призначені для калібровки стінок свердловини з метою забезпечення заданого діаметра, а також стабілізації бурового долота відносно осі свердловини і мінімізації впливу навантажень на скривлення колони труб при бурінні;
- металоуловлювачі-калібратори (рис. 2.3, е), які застосовуються для калібрування стінок свердловин з одночасним збором металевих залишків (кульки шарошкових доліт, породоруйнівні вставки, які випали із доліт, металева стружка тощо).
В свою чергу бурові долота і бурильні головки, а також спеціальний буровий інструмент ІНМ розподіляються на два типи:
мікроріжучий, оснащений вставками з НКАМ славутич чи твесал (див. рис. 2.1, 2.3);
ріжучий, оснащений АТП, аналог пластин стратапакс зарубіжного виробництва (див. рис. 2.2).
За необхідністю калібратори, фрезери і металоуловлювачі-калібратори оснащують породоруйнівними елементами з твердих сплавів ВК чи ТК.
Буровий інструмент мікроріжучого типу використовують переважно в турбінному (високооборотному 300 - 600 об/хв) режимі буріння. Допускається використання такого інструменту і в роторному (40 - 142 об/хв) режимі буріння. Перевагою бурових доліт і головок із НКАМ є те, що вони можуть бути використані для
буріння порід різної твердості, які забезпечують таку ж проходку як і алмазні долота, що містять в собі крупні кристали природних алмазів і на порядок перевищують
цей параметр шарошкових доліт. Слід відзначити, що інструменти мікроріжучого типу за механічною швидкістю буріння поступаються шарошковому.
Буровий породоруйнівний інструмент ріжучого типу (див. рис. 2.2) почали виготовляти в ІНМ НАН України з 1985 р., коли було розроблено технологію спікання АТП. Інструмент цього типу успішно використовують як в турбінному, так і в роторному режимі буріння.
Рис. 2.2. Буровий інструмент ріжучого типу: а - ІНМ-АП-292,2 МС; б - ІНМ-АП-214,3 МС; в - ІНМ-АП-144,4 М; г - ІНМ-АП-214,3 МС; д - ІНМ-АП-214,3/100 М.
Ефективність використання такого інструменту забезпечується за рахунок високої механічної швидкості буріння, близької до швидкості буріння шарошковими долотами, і в 3 - 8 разів перевищує цей параметр доліт, оснащених крупними кристалами алмазів і долотами мікроріжучого тип