 |
3.8. Объемное упрочение породоразрушающего инструмента
|
|
|
|
В настоящее время разработаны способы модификации свойств твердых сплавов и композиционных алмазосодержащих материалов, которые позволяют производить объемное упрочнение этих материалов за счет изменения их физико-механических характеристик. К таким методам относятся криогенная обработка (при низких отрицательных температурах), радиационное облучение малыми дозами гамма-квантов или их комплексное воздействие.
Криогенная обработка инструмента
Технология криогенной обработки породоразрушающего инструмента разработана в Томском политехническом университете (С. Я. Рябчиков, А. П. Мамонтов).
Криогенная обработка – это способ термической обработки, который достигается путем «ударного» охлаждения изделий или образцов материалов при быстром погружении их в среду жидкости с низкой отрицательной температурой (от –150 до –269оС). Поскольку самой доступной и дешевой жидкостью с глубокой отрицательной температурой является жидкий азот, то он и находит широкое применение в криогенных технологиях, в том числе и при упрочнении породоразрушающего инструмента. Технический жидкий азот (ГОСТ 92193-74) представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении –196оС и плотностью 0, 8 г/см3 с содержанием кислорода не более 3%. В чистом виде он не взрывоопасен. Транспортировать жидкий азот необходимо в сосудах Дьюара типа АСД или ЦСД емкостью от 15 до 100 л.
Обработка породоразрушающего инструмента производится в криостатах. Небольшие партии инструмента можно обрабатывать в металлических пищевых термосах и в лабораторных сосудах Дьюара. Поступивший для термообработки инструмент необходимо очистить от консервирующей смазки и обезжирить. Обезжиривание можно производить в щелочных (моющих) растворах, в керосине или уайт-спирите, температура которых должна быть не менее 50оС. Коронки в азоте выдерживаются 10-15 мин, а шарошечные долота 20-25 мин. При испарении жидкого азота содержание кислорода в нем увеличивается. Образующаяся при этом азотно-кислородная смесь с содержанием кислорода более 30 % при контакте с органическими (горючими) соединениями или открытым огнем, а также при ударе может взорваться. Поэтому использовать ее запрещается. Содержание кислорода в жидком азоте определяется прибором Лемпеля типа ПАК-3.
|
|
|
Производственные испытания термообработанных алмазных коронок различных типов показали, что износостойкость их увеличивается на 10-30 %. Износостойкость твердосплавных коронок и механическая скорость бурения ими увеличиваются до 40 и 30 % соответственно. Причем с увеличением твердости пород эффективность бурения термообработанными твердосплавными коронками существенно возрастает.
Более сложная конструкция шарошечных долот, наличие смазки в опорах вызывают дополнительные требования к технологии криогенной обработки. Испытания твердосплавных шарошечных долот малого диаметра (46-76 мм) показали, что термообработка их позволяет увеличить ресурс на 22, 5 %, а механическую скорость бурения – на 5, 1 %. Износостойкость термообработанных долот большого диаметра (146-295 мм) позволила увеличить их ресурс до 30 %, а скорость бурения – до 17 %. При этом износ вооружения и опорных элементов у обработанных долот оказался меньше в 1, 5-5 раз. Скол зубков у опытных долот составил от 10 до 30 %, а у серийных достигал 100 %.
Радиационное облучение инструмента
В основе радиационной технологии упрочнения породоразрушающего инструмента лежит эффект упорядочения структуры несовершенных кристаллов малыми дозами гамма-квантов или электронов, когда слабое воздействие ионизирующего излучения вызывает существенную перестройку их и, соответственно, улучшение ряда физических свойств. Такое облучение не вызывает остаточной радиации и поэтому технология работ безопасна.
|
|
|
Радиационная обработка алмазных и твердосплавных коронок производилась в Томском политехническом институте на излучателе гамма-квантов «Исследователь-1» и линейном ускорителе ЭЛУ-4.
Производственные испытания обработанных алмазных коронок показали, что радиационное облучение их малыми дозами гамма-квантов заметно повысило технико-экономические показатели бурения скважин. Лучшие показатели получены для коронок типа 01А3СВ60-30, 01А3Д60К40, К-01: проходка на коронку увеличилась на 42-51%, а механическая скорость бурения для коронок различных типов повысилась от 12, 3 до 44, 4%. В меньшей степени, как и при криогенной обработке, повысились проходка на коронку и механическая скорость при бурении импрегнированными коронками, что свидетельствует о более совершенной структуре их композита, которая изначально определяет более высокие прочностные свойства этих коронок.
Испытания твердосплавных коронок типа СА4-76, облученных малыми дозами гамма-квантов, проводились в ПГО «Запсибгеология» при бурении плановых скважин глубиной до 300 м (15 коронок облученных гамма-квантами и 15 – базовых). Горные породы были представлены песчаниками VII-VIII категории по буримости. Бурение скважин осуществлялось с применением буровой установки УКБ-4П. Испытания показали, что проходка на опытную коронку при бурении скважин в породах VII категории увеличилась на 68 % (с 4, 7 до 7, 9 м), а при бурении в породах VIII категории – на 75 % (с 2, 6 до 4, 5 м); механическая скорость бурения возросла соответственно на 28 и 42 %.
В процессе испытаний после каждого рейса производился визуальный осмотр коронок и анализ поверхности штабиков с использованием бинокулярной лупы, который показал, что в процессе отработки твердосплавные резцы, припаянные к стальным штабикам, более интенсивно разрушены у базовых коронок. Здесь имеют место большее количество трещин, сколов, деформаций. После отработки твердосплавные резцы на базовых коронках были разрушены практически полностью. На коронках, облученных малыми дозами гамма-квантов, после полной отработки, как правило, на каждом штабике имеются еще ненарушенные отдельные участки твердосплавных резцов. Это свидетельствует о том, что в процессе облучения происходит не только упрочнение твердосплавных резцов, но улучшаются и адгезионные свойства паяльных швов, что, в свою очередь, способствует увеличению работоспособного периода каждого резца, повышению ресурса коронки в целом, увеличению механической скорости бурения и проходки за рейс.
|
|
|
Комплексная криогенно-радиационная обработка алмазного инструмента
Наряду с положительным эффектом описанные способы обработки алмазного породоразрушающего инструмента снижают некоторые прочностные характеристики матрицы. Так, криогенная обработка повышает ее хрупкость, а облучение малыми дозами гамма-квантов приводит к снижению микротвердости.
Для сохранения полученного при криогенной обработке положительного эффекта (повышение микротвердости и жесткости) необходимо снизить хрупкость матрицы, повысить ее пластичность (величину деформации) при сохранении или незначительном понижении твердости.
Эта проблема решается путем комплексной криогенно-радиационной обработки инструмента. Испытания показали, что такая обработка алмазных коронок дает значительно больший эффект по сравнению с одной криогенной обработкой при облучением малыми дозами гамма-квантов.
ЛИТЕРАТУРА
- Афанасьев И. С. Справочник по бурению геологоразведочных скважин /Г. А. Блинов, П. П. Пономарев, А. И. Кукес и др. // -СПб.: 000 «Недра», 2000. -712 с.
- Власюк В. И. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента /Ю. Е. Будюков, Л. К. Горшков, А. И. Осецкий, С. Я. Рябчиков, В. И. Спирин // - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002, -140 стр.
- Калинин А. Г. Разведочное бурение /О. В. Ошкордин, В. М. Питерский, Н. В. Соловьев//Учебник для ВУЗов. -М.: Издательство «Недра», 2200. -748 с.
- Пономарев П. П. Технические средства и технологии отбора керна высокого качества при бурении скважин / В. А. Каулин, В. И. Власюк // Техника, технология и организация геологоразведочных работ. Обзорная информация. Вып. 2. – М.: ЗАО «Геоинформцентр», 2003. – 116 с.
- Калинин А. Г. Технология бурения разведочных скважин /В. И. Власюк, О. В. Ошкордин, Р. М. Скрябин // Учебное пособие. – М.: Издательство «Техника», ТУМА ГРУПП, 2004. – 528 с.
|
|
|
