Долота, оснащенные натуральными и синтетическими алмазами

Алмазные долотаоснащаются наиболее дешевыми натуральными алмазами подгруппы борт и синтетическими (искусственными) алмазами. Для повышения сопротивления разрушению алмазы предварительно обрабатывают. Вначале их подвергают избирательному дроблению, при котором алмазные агрегаты раскалываются по дефектным местам. Затем проводится овализация для придания алмазам округлой формы. Для снятия внутренних напряжений алмазы нагревают до 920…940 °С в нейтральной среде и затем медленно охлаждают.

Алмазное долото (рис. 5.1, а) состоит из полого стального корпуса, включающего головку 1 и переводник 2 с присоединительной резьбой, матрицы 3, на секторах которой размещены алмазы 4. В матрице долота выполнены промывочные отверстия 5, переходящие в промывочные каналы 6.

Инструменты с алмазами, размещенными только в поверхностном слое матрицы, называются однослойными (рис. 5.1, б).При этом используют алмазы диаметром 2…3 мм (от 3 до 12 зерен на карат).

При оснащении породоразрушающих инструментов мелкими алмазами (до 1000 зерен на карат) их размещают в поверхностном слое матрицы толщиной 5…6 мм (алмазы входят в состав шихты, образующей этот слой). Такие инструменты называют импрегнированными (рис. 5.1, в).

Алмазы разрушают горные породы микрорезанием, передеформированием с последующим усталостным отделением частиц породы или ее истиранием, что обусловливает весьма низкую механическую скорость проходки (0,5…1,5 м/ч). Низкая механическая скорость и высокая стоимость долот ограничивают область их применения. Долота конкурентоспособны только на глубинах, превышающих 2500 м, когда большая проходка на долото компенсирует потери времени из-за низкой механической скорости бурения за счет уменьшения числа спуско-подъемных операций для смены долота.

В табл. 5.1 приведены шифры конструкций и типы долот, а также характеристики горных пород, для разбуривания которых эти долота предназначены.

Таблица 5.1

Алмазные долота и характеристики соответствующих им горных пород

Шифр алмазных долот. Общей в шифре всех конструкций алмазных долот является первая буква Д. Вторая буква отражает особенности конструкции: Л - долота с узкими секторами (лопастями); К - долото со ступенчатым профилем секторов (рис. 5.1, а); Р - долота с гладкими секторами или с мелкими торовидными выступами; И - импрегнированное долото. Отсутствие этой буквы предполагает однослойное вооружение долота. Третья буква С показывает, что долото оснащено синтетическими алмазами. Далее цифрами показан диаметр долота, а буквами тип вооружения. Примеры полного шифра долота: ДЛС 188,9С2; ДК 214,3С6; ДИ 214,3Т5 и т.д. Последние цифры в шифрах отражают модификацию долота.

Большую роль при бурении играет эффективное охлаждение рабочих поверхностей алмазных породоразрушающих инструментов. Но интенсивная промывка может вызвать эрозионное изнашивание матрицы. Поэтому режим работы алмазных инструментов строго регламентирован инструкциями по их эксплуатации. Опасность перегрузок и раздавливания алмазов на периферии долота не допускает его использования для проработки скважины (расширения ствола до номинального диаметра). В то же время некруглое сечение скважины или потеря ее диаметра, обусловленные применением предшествующего неалмазного долота, затрудняет спуск алмазного долота в скважину. Поэтому диаметр алмазных инструментов меньше диаметра обычных инструментов, например, если обычное долото имеет диаметр 190,5 мм, то алмазное долото – 188,9 мм.

Высокая хрупкость алмазов не допускает наличия на забое скважины твердых предметов, например, тел качения опор шарошечных долот или твердосплавных зубков и т.п. Перед спуском алмазного долота скважину необходимо очистить от металла на забое и прошаблонировать твердосплавным долотом, по форме подобным алмазному, с металлошламоуловителем.

Выход из строя (отказ) алмазных породоразрушающих инструментов может произойти в результате абразивного и эрозионного изнашивания матриц и потери алмазов, растрескивания и выпадения алмазов под действием динамических нагрузок, истирания и пригорания алмазов, забивания системы промывки долота и образования на нем сальника. Признаки отказа долота - снижение механической скорости бурения или увеличение давления промывочной жидкости на насосе.

Долота ИСМ

Долота ИСМ оснащаются зубками из сверхтвердого материала "Славутич" и выполняются в лопастном и секторном исполнении. Лопастные долота предназначены для мягких пород и обозначаются буквами РГ (режущее гидромониторное). Вооружение секторных долот ИСМ разрушает горную породу микрорезанием и истиранием обнажающимися в процессе работы алмазными зернами. Обнажение происходит в результате опережающего износа твердосплавной составляющей "Славутича". При этом вылет алмазных зерен составляет 0,04…0,10 мм. Такое разрушение, как и в случае алмазных долот, обусловливает весьма малую механическую скорость бурения (0,5…1,5 м/ч). Долота предназначены для разбуривания горных пород срежней твердости и твердых, а поэтому в их шифре указывается тип вооружения, например, ИСМ 163,5Т или УИСМ 242,1С. Буква У впереди шифра, означает, что долото изготовлено на Дрогобычском долотном заводе.

Выпускаемые типы долот ИСМ диаметром от 163,5 до 391,3 мм, особенности их ожидаемого воздействия на горную породу и область применения приведены в табл. 5.2.

Из табл. 5.2 видно, что долота предназначены, в основном, для разбуривания малоабразивных высокопластичных горных пород и только долота типа Т могут работать в горных породах средней абразивности.

Таблица 5.2

Долота ИСМ и характеристики соответствующих им горных пород

Долота ИСМ в два-три раза дешевле алмазных, менее чувствительны к динамическим нагрузкам и неоднородностям в горных породах; они не требуют специальной подготовки ствола и забоя скважины перед спуском. Эти преимущества позволяют долотам ИСМ успешно конкурировать с алмазными и другими долотами при бурении на больших глубинах (более 2500 м). На малых глубинах из-за низкой механической скорости бурения долота ИСМ применять нецелесообразно.

Долота ИСМ изнашиваются, как правило, неравномерно с образованием кольцевой выработки на рабочей поверхности или ступени опережающего износа на периферии долота. Признаком отказа долота является падение механической скорости бурения. Механизм такого изнашивания до конца неясен. Это может быть следствием неравномерной интенсивности нагрузки на вооружение, а также недостаточным охлаждением соответствующего вооружения.