3.2. Алмазный породоразрушающий инструмент

3. 2. Алмазный породоразрушающий инструмент

и технология бурения.

Алмазный породоразрушающий инструмент для бурения разведочных скважин включает породоразрушающий инструмент для колонкового бурения с отбором керна и алмазные долота для бескернового бурения. Комплект породоразрушающего алмазного инструмента для колонкового бурения состоит из алмазной коронки и расширителя. Выпускаются алмазные коронки различных типов: для бурения с одинарными колонковыми трубами, двойными колонковыми трубами для комплексов ССК, КССК и специального назначения. Алмазные расширители служат для калибровки диаметра скважин и стабилизации работы алмазной коронки. Для армирования алмазного породоразрушающего инструмента применяются природные и синтетические алмазы.

 

Природные технические алмазы

 

Добыча природных алмазов производится из россыпных и коренных месторождений. Добыча из россыпных месторождений была начата в Индии до н. э.; в Бразилии в XVIII в., в Африке (реки Оранжевая и Вааль) в 1867 г. В конце прошлого столетия впервые были открыты коренные месторождения алмазов в Ю. Африке – местности Кимберлей – классические трубки кимберлита.

В России алмазы, в основном ювелирные, добывались из россыпей на Урале (р. Вишера). В середине XX века были обнаружены и разведаны крупные коренные кимберлитовые месторождения алмазов в Якутии, что позволило России стать одним из ведущих алмазодобывающих государств. В конце XX века разведаны крупные месторождения алмазов в Архангельской области. Природный кристалл алмаза показан на рис. 3. 6.

Рис. 3. 6. Якутский кристалл алмаза в кимберлите

 

Природные алмазы подразделяются на технические и ювелирные. Технические алмазы при добыче составляют 85-90 %. К ним относятся обломки, трещиноватые камни, камни плохой окраски, с наличием включений, сростки и т. п.

Алмазы обычно встречаются размером от тысячных долей до одного-двух каратов. Крупные алмазы в несколько сотен карат, редчайшие находки. Форма кристаллов алмазов самая разнообразная: октаэдр, ромбо-додекаэдр, гексаэдр (куб), додекаэдроид, гексаэдроид, комбинации форм.

Свойства алмазов уникальные. Этот минерал имеет твердость по шкале Маоса равную 10, а микротвердость в пределах 95000-100600 МПа, т. е. является самым твердым, что определяет его применение для бурения хрупких абразивных и твердых пород. Твердость алмаза на разных гранях кристалла различна: наименьшую твердость имеет грань куба. Несколько большей твердостью обладает грань ромбододекаэдра и самую высокую твердость – грань октаэдра. Это свойство алмаза объясняется неравномерным расположением атомов в плоских сетках алмазов различных форм и называется анизотропией.

Плотность алмазов зависит от включений и примесей в нем, а также от пористости и колеблется от 2, 9 до 3, 55 г/см³.

Стойкость алмаза находится в прямой зависимости от коэффициента теплопроводности λ. Чем больше λ, тем меньше нагрев алмаза и тем менее интенсивно проходят окислительные процессы на поверхности его режущих кромок. Коэффициент теплопроводности алмаза λ = 1, 465 · 10² Вт/м градус или в 2, 5 раза больше, чем у твердого сплава ВК8. Поэтому при соответствующем охлаждении алмазами можно вести бурение с очень высокими окружными скоростями.

Размерность алмазов в соответствии с техническими условиями может быть представлена массой в каратах (1 карат равен 0, 2 г), числом зерен алмазов в одном карате (шт/кар) для порошков – в мкм, ситовыми клетками – в мм. Размеры алмазного зерна и порошков даны в табл. 3. 6.

Механические свойства алмазов в сопоставлении со свойствами других твердых материалов приведены в табл. 3. 7.

У алмаза низкая прочность на изгиб. Поэтому в матрицах буровых коронок требуется хорошая защита их. Алмаз – очень хрупкий минерал. При ударе он легко раскалывается по плоскостям спайности, параллельным граням октаэдра. Поэтому в процессе бурения с алмазным породоразрушающим инструментом нужно обращаться весьма осторожно.

Износостойкость алмазов по различным кристаллографическим направлениям колеблется в широких пределах, средняя же износостойкость в несколько раз выше износостойкости широко известных абразивных материалов – карбида кремния и карбида бора. Абразивная способность материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного абразива. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида бора составит 0, 5-0, 7, карбида кремния 0, 2-0, 4, а электрокорунда – 0, 15.

 

Таблица 3. 6. Размеры алмазного зерна и порошков

 

Число алмазов  в 1 кар	Линейные размеры, мм	Средний условный диаметр, мм
Алмазное зерно
	3, 50—3, 80	3, 65
3—2	3, 30—3, 50	3, 40
4—3	3, 00—3, 30	3, 15
10—5	2, 80—3, 00	2, 90
20—10	2, 50—2, 80	2, 65
30—20	2, 0—2, 50	2, 25
40—30	1, 60—2, 00	1, 80
60—40	1, 50—1, 60	1, 55
90—60	1, 25—1, 60	1, 43
150—120	1, 00—1, 25	1, 13
Продолжение табл. 3. 6
300—200	0, 80—1, 00	0, 90
800—400	0, 63—0, 80	0, 72
Алмазные порошки
1200—800	0, 50—0, 63	0, 57
2000—1200	0, 40—0, 50	0, 45

 

 

Таблица 3. 7. Сравнительная характеристика механических свойств некоторых твердых материалов (Па)

 

Материал	Предел прочности на изгиб	Предел прочности на сжатие	Модуль упругости
Алмаз Карбид бора Карбид кремния Твердые сплавы типа ВК	98-147 882-1862	980-1960 1862-3920	705000-911400 376000-588000

 

Алмаз не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к жировым смесям. Поэтому применение поверхностно-активных веществ и эмульсий улучшает смачиваемость алмаза и предохраняет его от абразивного износа. Кислоты, даже самые сильные, на алмаз не действуют.

Технические алмазы высокого качества (ХV группа) применяют в коронках без предварительной обработки. Технические алмазы низкого качества (ХХ группа) предварительно обрабатывают с целью разделения по форме и размерам, а также для выделения зерен с более высокими прочностными свойствами. При этом алмазы подвергают дроблению, овализации, полированию, термической обработке и металлизации. Технические алмазы подразделяют на три группы, характеризующие их морфологические особенности и буровые качества: борты, карбонаты и балласы (рис. 3. 7).

 

Рис. 3. 7. Технические алмазы:

 а – борт друзообразный; б – балласы; в –карбонадо;

 г, д – низкосортные алмазы для дробления (г – ХХа группа, д- ХХХVа группа)

 

Борты представлены кристаллами неправильной формы или сростками. Они окрашены в желтый, коричневый и серый цвета и являются основным сырьем для армирования алмазных коронок.

Карбонаты – минералы слегка серого, коричневого или черного цвета, тонкозернистые, с тусклым или металлическим оттенком. Благодаря скрытокристаллическому строению и отсутствию спайности, они отличаются большой прочностью, вязкостью и надежны в работе.

Балласы – мелкозернистые агрегаты округлой формы, мутно-белого, серого и коричневого цвета, отличающиеся лучистым крупнокристаллическим ядром и мелкозернистой твердой оболочкой.

Классификация алмазов по их внешней форме приведена на рис. 3. 8.

 

 

Рис. 3. 8. Классификация алмазов по их внешней форме

 

Для устранения различных дефектов в технических алмазах и улучшения их качества они подвергаются предварительной обработке. Низкосортные алмазы дробят на различных установках с целью раскалывания их по трещинам и дефектным местам и одновременно придают полученным обломкам изометрическую форму. Алмазы, дробленные механическим способом, используют для армирования буровых коронок, изготовления шлифовальных порошков и микропорошков

Овализация низкосортных алмазов производится на специальных установках с целью придания алмазам округлой формы, а также для разрушения слабых трещиноватых кристаллов с дефектами. Овализация алмазов осуществляется в специальных установках, в камере которых алмазам придается вращательное движение. В процессе вращения алмазы ударяются друг о друга и стенки камеры, истираются и раскалываются, приобретая овальную форму (рис. 3. 9, а). Поэтому прочность овализованных алмазов намного увеличивается.

Полирование алмазов (рис. 3. 9, б) производится для уменьшения сил трения их о разрушаемую породу. Уменьшение сил трения повышает механическую скорость бурения и снижает износ алмазов. Полирование алмазов осуществляется механическим и химическим способами. Механический способ полирования алмазов заключается в обработке овализованных зерен водной суспензией микропорошков алмаза с размером зерен от 1 до 40 мкм. При химическом способе алмазы обрабатываются в расплаве щелочей с бурой при воздействии высокой температуры. При этом в первую очередь растворяются тонкие, выступающие части алмаза, в результате чего образуется гладкая поверхность зерен.

Термическая обработка алмазов позволяет снимать внутренние напряжения в кристаллах и таким образом повышать их прочностные свойства. Опытные работы показывают, что прочность термически обработанных алмазов при статическом одноосном сжатии может повышаться на 20-40%. Известны два режима термической обработки. Первый заключается в нагреве алмазов до 920-940^оС с последующим медленным охлаждением. При втором способе алмазы нагреваются до температуры 320-350^оС, а затем дважды охлаждаются: до 20^оС и до -196^оС в жидком азоте.

а

Металлизация алмазного сырья применяется с целью покрытия поверхности кристаллов тонким, в несколько микронов, слоем тугоплакого металла, имеющего высокую адгезию к алмазу. В этом случае связь зерен алмазов с материалом матрицы повышается и прочность алмазных коронок увеличивается. Металлизация позволяет также заполнить трещины и микротрещины в алмазах металлом. Стойкость коронок, армированных металлизованными алмазами, возрастает на 15-20%.

 

 

б

 

 

Рис. 3. 9. Обработанные

технические алмазы

 

а – овализованные (слабой степени);

б – полированные алмазы

 

В настоящее время существует несколько классификаций технических алмазов, применяемых для армирования породоразрушающего инструмента. Наиболее используемой является классификация по ТУ 47-12-88 «Сырье алмазное для многокристального инструмента» (табл. 3. 8).

 

 

Таблица 3. 8. Классификация технических алмазов, используемых для изготовления породоразрушающего инструмента

 

Группа	Подгруппа	Тип	Применяемость	Характеристика по форме, целостности, степени искажения	Допускаемые дефекты	Размерность
						Кар	Шт/кар	Ситовой класс, мм
XV	а		Для бурового и правящего инструментов	Целые кристаллы различной формы с искажением до 1, 5 округлые и округлоступенчатые; кроме кубов, закономерных и незакономерных сростков	Незначительные дефекты		120—90
							90—60 60—40 50—30 30—20 120—90 90—60 60—40 50—30 30—20
	а-1		То же	Целые кристаллы различной формы с искажением до 1, 5; кроме кубов и незакономерных сростков	Небольшие дефекты
	а-2		Для бурового, правящего и строительного инструментов	Целые кристаллы различной формы и их обломки с искажением до 2, 0	Различные дефекты			-0, 6+0, 5 -0, 7+0, 6 -0, 8+0, 7 -1, 0+0, 8
			То же     '	То же	Большие дефекты		120—90 90—60 60—40 50—30 30—20   120—90 90—60 60—40 50—30 30—20
	а-3		Для бурового, правящего и строительного инструментов	Целые кристаллы различной формы с искажением более 2, 0	Небольшие дефекты
	а-4		Для бурового, правящего и строительного инструментов	Овализованные алмазы различной формы с округлыми вершинами и ребрами, с искажением до 2, 0	Дефекты                не оговариваются			-0, 200+0, 160 -0, 250+0, 200 -0, 315+0, 250 -0, 4+0, 315 -0, 5+0, 4 -0, 6+0, 5 -0, 7+0, 6 -0, 8+0, 7
			То же	То же	Небольшие дефекты		120-90 90-60 60-40 50-30 30-20
	а-5		Для бурового, правящего и строительного инструмента	Дробленые алмазы различной формы с искажением до 2, 0	Дефекты                не оговариваются			-0, 4+0, 315 -0, 5+0, 4 -0, 6+0, 5 -0, 7+0, 6 -0, 8+0, 7
			Для бурового, правящего и строительного инструмента	То же	Небольшие дефекты		120-90 90-60 60-40 50-30 30-20
Продолжение табл. 3. 8.
	а-6		То же	Полированные овализованные алмазы различной формы с округлыми вершинами и ребрами, с искажением до 2, 0	Небольшие дефекты		120-90 90-60 60-40 50-30 30-20	-0, 7+0, 6 -0, 8+0, 7
	а-7		То же	Полированные дробленные алмазы различной формы с искажением до 2, 0	Небольшие дефекты		120-90 90-60 60-40 50-30 30-20	-0, 7+0, 6 -0, 8+0, 7
XV	б		Для буровых долот	Целые кристаллы различной формы с искажением до 1, 5 (кроме кубов, закономерных и незакономерных сростков) с округлыми гранями и ребрами	Незначительные дефекты	0, 05-0, 08; 0, 08-0, 12; 0, 12-0, 20; 0, 20-0, 25; 0, 25-0, 34
	б-1		То же	Целые кристаллы различной формы с искажением до 2, 0 кроме кубов и незакономерных сростках с округлыми гранями и ребрами	Небольшие дефекты	0, 05-0, 08; 0, 08-0, 12; 0, 12-0, 20; 0, 20-0, 25; 0, 25-0, 34
	б-24		То же	Овализованные алмазы различной формы с округлыми вершинами и ребрами, с искажением до 2, 0	Небольшие дефекты		20-12 12-8 8-5 5-4 4-3

 

Примечания: 1. Алмазы подгрупп «а», «а-1» с искажениями 1, 3—1, 5 не должны составлять более 50%, с искажением 1, 5-2, 0 — не более 5%; «б» с искажением 1, 5—2, 0 — не более 5%. 2. Алмазы подгрупп «а-2», «а-4», «а-5», «а-6», «а-7» с искажением 1, 5—2, 0 не должны составлять более 50%, с искажением 2, 0—3, 0 для размерностей 90—12 шт/кар — 3%; 120—90 шт/кар — 8%; для ситовых классов — 0, 6 мм и мельче — 15% 3. Алмазы подгрупп «б-1», «б-2» с искажением 2, 0—3, 0 не должны составлять более 5%. 4. Количество алмазов светлых и окрашенных в подгруппах «а», «а-1», «а-2» определяется утвержденными в установленном порядке образцами. 5. Содержание алмазов в подгруппе «а» с незначительными дефектами, в подгруппе «а-1» с небольшими дефектами не должно составлять более 50%; (процентное содержание дефектных алмазов может быть скорректировано по согласованию сторон после установления фактического содержания по результатам сортировки контрольных партии). 6. Содержание алмазов графитизированных, пористых, рыхлых и сильно трещиноватых в подгруппе «а-2» для ситовых классов — 0, 7+0, 5 мм — не более 15%; для —1, 0+0, 7 мм — не более 10%; в подгруппах «а-4», «а-5» для ситовых классов —0, 8+0, 4 мм — не более 15%

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: