Твердосплавной и алмазный породоразрушающий инструмент

Твердосплавной инструмент, применяемый при бурении в мягких и средней твердости породах, может иметь форму коронки или долота. Основным конструктивным элементом такого инструмента является корпус в виде короночного кольца или тела цилиндрической формы, имеющий рабочую часть, вооруженную твердосплавными резцами из твердых сплавов различной формы и размеров.

По форме вооружения и с учетом механизма разрушения породы твердосплавной инструмент может быть режущего действия (РД), режуще-скалывающего действия (РСД) и режуще-истирающего или фрезерующего действия (РИД). Обычно используют твердые сплавы вольфрамокобальтового состава.

В зависимости от формы и размеров применяемых резцов все твердосплавные коронки делятся на две основные группы: с затачиваемыми резцами и самозатачивающимися.

По условиям работы или характеру разбуриваемых пород выпускаются коронки следующих типов: М – для бурения в мягких породах (ребристые коронки); СМ – для бурения в средних по твердости; малоабразивных породах; СТ – для бурения в породах средней твердости, малоабразивных и трещиноватых; СА – для бурения в породах средней твердости, абразивных, но монолитных.

Рабочими органами коронок, применяемых при вращательном способе бурения в мягких и рыхлых породах, являются зубья. Область применения твердосплавных коронок ограничиваются породами I-IX категорий по буримости.

Алмазный породоразрушающий инструмент (на рис.) любого вида состоит из трех основных частей: корпуса (1) с присоединительной резьбой, матрицы (2) и резцов (подрезных-3, торцевых-4). Для циркуляции очистного агента в матрице и корпусе делаются специальные каналы (5). В качестве резцов в таком инструменте используются как естественные алмазы (А), так и синтетические (АС), а также резцы из сверхтвердых материалов (СМ).

Корпус алмазного инструмента может иметь вид стандартного короночного кольца или специальной заготовки цилиндрической формы.

Матрица, предназначенная для размещения и закрепления алмазных резцов (зерен) и присоединяется к корпусу припайкой или с помощью клея. В процессе бурения (разрушения породы на забое) матрица должна обеспечивать обнажение алмазных резцов по мере их износа. Это возможно только при условии равномерного и синхронного износа материала матрицы и алмазных зерен за счет абразивного действия породы или шлама.

Подрезные алмазы обрабатывают (калибруют) стенки скважины, керн по мере продвижения бурового инструмента при углубке скважины и предохраняют породоразрушающий инструмент от бокового износа.

Торцовые алмазы располагаются по торцу породоразрушающего инструмента и служат для разрушения породы в плоскости забоя скважины.

Объемные алмазы размещаются внутри тела матрицы и вступают в работу по мере износа торцовых алмазов и самой матрицы. В этом случае зерна обнажившегося слоя объемных алмазов становятся торцовыми.

Вооруженность инструмента зернами алмазов характеризуется: общим количеством зерен алмазов в матрице, количеством объемных, торцовых и подрезных резцов, размещением алмазных зерен в матрице.

Практика работ и исследования показывают, что максимальная механическая скорость бурения достигается при насыщенности торца матрицы алмазами до 45÷50%. В зарубежной практике насыщенность торца коронок составляет 34÷66% от площади торца, отечественных – 35%. Размещение алмазных резцов в матрице может быть однослойным, многослойным и импрегнированным.

Однослойный – имеет только один ряд (слой) торцовых алмазов с зернистостью от 2-5 до 40÷60 шт/кар и насыщенностью от 13 до 25% (при диаметре инструмента 36—76 мм).

Многослойный – алмазы размещаются в нескольких параллельных слоях (пять-шесть), почему они и называются объемными. Зернистость этих алмазов в среднем 60÷120 шт/кар. В качестве подрезных применяются более крупные алмазы зернистостью 20÷60 шт/кар.

Импрегнированный - алмазные зерна равномерно распределяется в объеме рабочей части матрицы. Насыщенность матрицы объемными алмазами может колебаться от 20 до 40%. Зернистость объемных алмазов может колебаться от 100 до 10000 шт/кар и более.

Циркуляционные каналы – совокупность конструктивных элементов, обеспечивающих циркуляцию очистного агента с целью охлаждения инс­трумента и удаления с забоя продуктов разрушения (шлама) в процессе бурения.

Для бурения геологоразведочных скважин используются коронки для одинарных колонковых снарядов (ОКС), двойных (ДКС) и снарядов со съемным керноприемником (ССК). По размещению алмазов в матрице – однослойные (А), многослойные (М) и импрегнированные (И).

Алмазные долота служат для бескернового бурения скважин, а также для забуривания дополнительных стволов скважин при направленном бурении. В геологоразведочной практике для бурения скважин применяются два типа долот: однослойные и импрегнированные, у которых матрица имеет вогнутую форму торца и центральное отверстие для циркуляции промывочной жидкости.

Алмазные расширители служат для предупреждения уменьшения диаметра скважин, возникающего за счет износа алмазных коронок, способствуют стабилизации нижней части бурового снаряда, что уменьшает возможность проявления вибраций. Это повышает срок службы алмазных коронок, уменьшает расход алмазов, позволяет вести бурение на форсированных режимах, уменьшить число аварий, возникающих вследствие повреждений коронки в суженной части ствола скважины, и т.д.

Области применения алмазного породоразрушающего инструмента ограничиваются породами VI-XI категорий по буримости.