2015-10-16
1188
Выступающая часть алмазного зерна может иметь как острогранную, так и овальную или даже округлую форму. Уникально высокая твердость алмаза позволяет ему независимо от формы резца легко внедряться в любую породу и при вращательном движении коронки разрушать породу резаньем, скалыванием, сдвигом, раздавливанием. В разных породах преобладают разные формы разрушения, в слабых преобладает резанье и скол, в твердых – сдвиг и раздавливание, но во всех случаях во всех породах имеют место все формы разрушения только в разных пропорциях. В твердых и хрупких породах происходит как бы двухслойное разрушение породы на забое – передняя грань резца сдвигает, скалывает слой породы, одновременно под торцом резца, за счет сжатия породы и возникновении при этом касательных напряжений, возникают микротрещины, что ослабляет слой породы под резцом. Происходит «предразрушение» слоя породы на забое. Следующий резец сдвигает, скалывает уже предразрушенный слой породы, что значительно облегчает ее разрушение и позволяет увеличить глубину внедрения резца - hр. Предразрушение усиливается, если в микротрещины попадает промывочная жидкость с поверхностно-активными веществами - ПАВ.
|
|
|
Характер разрушения породы алмазным резцом и основные размеры, определяющие процесс разрушения породы, приведены на рис. 40.
|
| Рис. 40 |
Характерный линейный размер алмазного зерна обычно условно называют диаметром и обозначают – Dа. Величина выступающей из матрицы части алмаза называется «выпуск алмаза» (резца) - hа.. Имеются однослойные алмазные коронки с заданным выпуском, то есть заданный выпуск резцов обеспечивается при изготовлении коронки. В других однослойных и во всех импрегнированных коронках алмазы не выступают и обнажаются при приработке коронки за счет опережающего истирания матрицы. Рациональным считается для однослойных коронок выпуск алмаза hа. = (0,1 – 0,3) Dа. Тем больше, чем слабее порода. В импрегнированных коронках выпуск алмазов образуется автоматически по принципу самозатачивания и может достигать 0,6 Dа. (после чего остаток алмаза обычно разрушается или выпадает из матрицы). Увеличение выпуска алмазов в однослойных коронках могло бы увеличить углубление резца и, соответственно, скорость бурения, но при этом ослабляется связь алмаза с матрицей и возникает опасность выпадения алмаза из матрицы, что приведет к разрушению коронки.
Величину внедрения резца в породу называют «глубина резанья» - hр . Величина hр . имеет наиболее важное значение и может быть оптимальной для каждого случая «коронка – порода». Оптимальность процесса зависит от оптимального соотношения размеров Dа, hа.. и hр. и от величины зазора между забоем и торцом матрицы (для выноса шлама) - hш . Сама величина hр зависит еще и от прочности породы – [ σ ]пр ., Тогда углубка за один оборот коронки - hоб. = ƒ(Dа. , hа. , hр. , hш. , [ σ ]пр.). Рекомендуемая величина hа.» (0,1 – 0,3) Dа , а величина hр » (0,1 – 0,3) hа. При этом hр»(0,01 – 0,09) Dа.
|
|
|
В конкретных случаях глубина резанья зависит от многих факторов, но максимальное значение hр, главным образом, зависит от двух факторов:
- опасность скалывания выступающей части резца, поскольку прочность алмаза на сдвиг (скалывание) на порядок меньше чем на сжатие, и еще меньше при ударных нагрузках в трещиноватых породах.
- большое значение имеет величина зазора между забоем и торцом матрицы - hш. При малой величине этого зазора сдвигаемая передней стороной резца порода поднимается вверх (эффект бульдозера) и может касаться торца матрицы, что будет затруднять ее удаление потоком очистного агента. Поскольку объем породы (шлама) будет нарастать, порода под торцом будет уплотняться и начнет мешать резцам внедряться в породу. Под торцом коронки образуется шламовая подушка, произойдет «зашламование» забоя, бурение замедлиться или вообще остановится.
Поскольку размер алмазных резцов много меньше ширины торца коронки разрушение породы по всей площади забоя осуществляется группой резцов, как по ширине торца, так и по линиям резанья вдоль торца матрицы. За один оборот коронки порода на забое будет разрушена на глубину равную сумме глубин резанья всех резцов расположенных на одной линии резанья в матрице коронки - m. Величину этой углубки называют «углубка за оборот» - hоб. = m · hр. Величины hоб. при алмазном бурении в различных породах, обычно hоб. = (0,02 – 0,3) мм/об.
В последние годы в нашей стране начинает преобладать бурение импортными буровыми снарядами, главным образом снарядами со съемным керноприемником фирмы Longyear c алмазными коронками. В рекомендациях по выбору режима бурения этими снарядами четко и однозначно предлагается устанавливать и поддерживать заданную скорость углубки, выраженную индексом об/см. Для получения этого индекса надо частоту вращения разделить на заданную скорость углубки, например, при заданном индексе 100 об/см и при частоте вращения 1500 об/мин скорость углубки будет – 1500об/мин /100 об/см =15 см/мин (или 0,1 мм/об.)
Если обозначить число оборотов на 1 см углубки – n1см , то hоб = 10 /n1см
9.5.2.3. Алмазные коронки.
Как уже указывалось, для алмазных буровых коронок применяют мелкие фракции алмазногосырья. Размеры алмазных зерен указываются либо в линейной величине в мкм, либо в зернистости - в штуках на карат (шт/кар), т.е. сколько алмазных зерен приходится на один карат равный 0,2 грамма. Чем больше число зернистости, тем мельче алмазные зерна. В серийных алмазных коронках используются природные или синтетические алмазы с размерами зерен от 10 - 20 шт/кар (примерно 2,0 – 3,0 мм) до 600 шт/кар (примерно 0,6 мм). В некоторых типах коронок применяют значительно более мелкие алмазы до 2000 шт/кар, и даже алмазные порошки зернистостью до 10.000 – 12.000 шт/кар (0,16 – 0,12 мм)
Соотношение зернистости и линейных размеров алмазных зерен приведены в табл. 13
Таблица 13
| Однослойные | Импрегнированные | Порошковые | |||||||
| Шт./кар. | 10 - 20 | 20 - 30 | 40 - 60 | 60 - 90 | 90 -120 | 200-400 | 400-600 | 1000-2000 | 10.000-12000 |
| D,,мкм | 3000- -2500 | 2500- -2000 | 2000- -1800 | 1600 – -1300 | 1000- -900 | 700 -600 | 600 -500 | 400-500 | 160 - 120 |
Алмазная коронка состоит из стального корпуса с резьбой и приваренной (припаянной) в процессе изготовления алмазосодержащей матрицей. Матрица изготавливается из порошка твердого сплава ВК-6 или ВК-8, в котором размещаются зерна алмазов (резцы), который прессуется и пропитывается расплавленной медью (или редко никелем). Расплавленная медь припаивает матрицу к корпусу. Алмазные коронки различаются шириной торца (матрицы) в зависимости от того используются они с простыми колонковыми снарядами, или и со снарядами со съемным керноприемником.
|
|
|
В зависимости от размеров алмазов и их размещения в матрице имеется три типа алмазных коронок: однослойные,многослойные и импрегнированные. Многослойные коронки раньше широко применялись, сейчас практически не применяются. Однослойные алмазные коронки предназначены для бурения в породах VII – IХ категорий по буримости, импрегнированные для пород IХ – ХII категорий.
Однослойные алмазные коронки (обозначаются буквой – А) оснащаются «объемными» алмазами размером от 2500 мкм до 1600 мкм (20 – 60 шт/кар), размещенными в матрице по торцу и выступающие из матрицы на 0,1 – 0,3 от своего линейного размера. На наружной (а иногда и на внутренней) стороне матрицы размещаются «подрезные» алмазы обычно зернистостью 20 – 40 шт/кар лучшего качества, обеспечивающие сохранение наружного и внутреннего диаметров коронки и соответственно диаметров скважины и керна.
Многослойные коронки (буква - М) выпускались ранее, оснащались объемными алмазами зернистостью 40 – 90 шт/кар - один слой по торцу коронки, далее в глубине матрицы еще от двух до пяти слоев. Работает такая коронка по принципу самозатачивания – когда стирается один слой алмазов, стирается матрица и обнажаются рабочие грани следующего слоя алмазов. Сейчас практически не выпускаются, почти полностью заменены импрегнированными коронками.
Импрегнированные коронки (буква – И) оснащены мелкими алмазами от 90 – 120 шт/кар до 600 шт/кар (серийные) и до 1200 и даже до 12000 шт/кар (коронки с мелкими фракциями алмазов и порошковые) Подрезные алмазы, как и в однослойных, хорошие и крупные (20 – 40 шт/кар). Объемные алмазы равномерно распределены внутри алмазосодержащего слоя матрицы высотою обычно 4 мм, (иногда 6 и 9 мм) работают по принципу самозатачивания. Применение для подрезных более крупных и качественных алмазов объясняется кроме ответственной роли еще и тем, что после полного износа объемных алмазов, подрезные остаются практически целыми, извлекаются из отработанных коронок, и могут использоваться еще раз.
|
|
|
Кроме типа, алмазные коронки различаются по целому ряду других признаков: конструкция коронки: форма торца матрицы, число и геометрия промывочных каналов, форма размещения алмазов и наличие их выступа из торца, твердость матрицы, качество и размер объемных и подрезных алмазов и другие.
Твердость матрицы имеет самостоятельное значение, поскольку скорость ее износа обеспечивает равномерность износа объемных (рабочих) алмазов. В однослойных коронках она должна изнашиваться чуть медленнее, чем алмаз, чтобы избежать выпадения алмазов из матрицы, в импрегнированных коронках матрица должна изнашиваться чуть быстрее алмаза, обеспечивая обнажение новых алмазов взамен полностью изношенных.
По твердости было предложено 5 вариантов матрицы. Табл. 14. (твердость по Роквеллу НРС)
Таблица 15
| № матрицы | |||||
| Твердость НРС | 10 - 15 | 15 - 20 | 20 - 25 | 30 - 35 | 50 - 55 |
Матрицы с твердостью 1 и 2, оказались слишком слабые и практически не применяются.
Основной объем алмазных коронок выпускается с 3 и 4 твердостью матрицы и очень редко с 5 твердостью (один тип коронок - 03И5).
В зарубежных коронках твердость матрицы является основным показателем выбора коронки для бурения в разных горных породах. Разные фирмы предлагают до 10 – 15 типов коронок по свойствам матрицы в зависимости от абразивности буримых пород.
Работоспособность алмазной коронки кроме конструкции, качества и зернистости алмазов зависит еще и от «насыщенности» ее алмазами, т.е. от количества алмазов в единице объема в 1 см3 матрицы. 100% насыщенности считается при 4,4 карата алмазов в 1 см3 матрицы. Работоспособность коронки повышается, если удастся повысить насыщенность до 150 – 175 % не снижая прочности закрепления алмазов в матрице за счет повышения адгезии.
Общее количество алмазов в типичных алмазных коронках для одинарных колонковых труб диаметром 46 – 76 мм составляет от 4 до 20 карат, среднее 10 – 12 карат.
Алмазные коронки применяются в весьма различных по своим свойствам породам от VI до ХII категорий по буримости при различной абразивности и трещиноватости. Для каждой группы пород должна быть подобрана наиболее подходящая коронка по типу, конструкции, сорту и размеру алмазов, по твердости матрицы. Чтобы это обеспечить имеется боле 50 вариантов только серийных коронок и еще много, разработанных другими отечественными организациями и зарубежными фирмами. От правильного выбора конкретной алмазной коронки для данных конкретных геологических условий во многом зависит эффективность – скорость углубки, проходка за рейс, износ алмазов, то есть производительность и себестоимость. Правильный выбор алмазной коронки одна из наиболее важных задач технологии алмазного бурения.
В последнее время в геологоразведочном бурении в нашей стране получило преобладающее применение зарубежных снарядов ССК (Longyear и подобные) с алмазными коронками ведущих зарубежных фирм. В большинстве случаев применяются импрегнированные коронки, различающиеся по форме торца и по твердости матрицы. Наиболее распространены гребенчатая и ступенчатая формы торца. По свойствам матрицы фирмы выделяют от 10 до 15 вариантов коронок.
В нашей стране распространением отечественных и зарубежных коронок занимается ряд фирм – АлмазГеоБур, Бинур-Техно и другие.
Отечественные коронки представлены продукцией завода алмазного инструмента «Терекалмаз», фирмами: РосПромБур, ТулНИГП,
Зарубежные алмазные коронки представляют в нашей стране более десяти известных фирм – ATAC COPCO CRAELYUS, BOART LONGYEAR, FORDIA, DIMATEC, HOBIC, CRISTENSEN, JKS BOYES, и другие.
Подробнее о зарубежных алмазных коронках и рекомендациях по технологии алмазного бурения смотрите в приложении. №1
