книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

лучей света не прошла насквозь, а вернулась бы обратно, много­ кратно преломившись в его гранях, благодаря чему возникает бриллиантовый блеск.

Технический борт. Очень высокая твердость алмазов группы борт (синоним борте), его сравнительно низкая стоимость обусло­ вили широкое применение его в бурении и других областях техники. В настоящее время не менее 95% алмазного бурения выполняется коронками, армированными бортами. Удельный вес бортов 3,50—3,53.

Рис. 85. Буровые ал­ мазы.

а — борты; б — карбонадо, в — балласы.

Для алмазов борт характерны совершенная спайность и незамет­ ная невооруженным глазом трещиноватость. По этой причине борты не могут выдерживать значительных давлений и ударов. Общий вид бурового борта приведен на рис. 85, а.

По своим физическим свойствам к бортам близки алмазы типа «Конго». Алмазы «Конго» состоят из мельчайших кристаллов или частиц бортов неправильной формы. Первоначально алмазы «Конго» находили применение только в импрегнированных коронках и шли­ фовальных кругах. Ныне они применяются также для изготовления однослойных коронок.

Карбонадо (синоним — карбонаты) добывают только в Брази­ лии из россыпных месторождений. Обычный цвет карбонадо — темно-коричневый, но встречаются камни от светлодо темно-серого

и серовато-зеленоватого цвета, а также совершенно черного(рис. 85, б). Карбонадо состоят из мельчайших кристаллов, расположенных в массе алмаза в беспорядке. Удельный вес карбонадо колеблется

наивысшей твердостью. Карбонадо сажисто-черного цвета, без блеска, значительно менее тверды и обладают повышенной хруп­ костью.

Балласы имеют сферическую форму без плоскостей спайности (рис. 85, е). Очень твердая оболочка, окружающая центральное крупнокристаллическое ядро, обусловливает высокую твердость балласа. После истирания оболочки баллас быстро изнашивается. Балласы применяются в алмазных расширителях и, за рубежом, в однослойных коронках в качестве подрезных алмазов.

Синтетические алмазы. В Советском Союзе синтетические алмазы были получены впервые в 1961 г. в Институте сверхтвердых мате­ риалов в Киеве. В настоящее время ряд заводов освоил их произ­ водство. Доказана большая эффективность применения импрегнированных буровых коронок, насыщенных синтетическими алмазами.

Алмазы — карбонадо и балласы — ныне в бурении почти не применяются вследствие высокой их стоимости. Наиболее широкое применение в бурении имеют алмазы группы борт.

Результаты исследований прочности бортов показали следующее: 1) наибольшую прочность при статическом сжатии имеют бортьц

имеющие форму округлых октаэдров и ромбододекаэдров;

2)наибольший предел прочности при ударе имеют алмазы округ­ лой формы;

3)плоскогранные острореберные октаэдры имеют значительно меньший предел прочности на раздавливание и удар;

4)опыты по раздавливанию поврежденных и трещиноватых кристаллов с включениями показали, что их прочность снижается примерно в два раза по сравнению с прочностью целых кристаллов;

5)имеется общая тенденция к повышению удельной прочности кристаллов алмазов с уменьшением их размеров;

6)алмазы борт имеют в различных направлениях различную твердость:

Интересно отметить следующее:

1)в промышленных коронках, армированных бортами, при вставке

которых ориентировка камней по вектору наибольшей твердости не производится, около 45% алмазов оказываются ориентирован­ ными по вектору наибольшей твердости;

2) алмазы ориентированные в торце коронки по направлению вектора наибольшей твердости, значительно меньше изнашиваются;

3) если большую часть алмазов в коронке ориентировать по вектору малой твердости, то проходка на коронку резко снизится, а износ алмазов сильно возрастает.

Опыт фирмы «Спрэг и Хенвуд» показал, что ориентированная вставка алмазов в коронки практически возможна. При вставке алмазов применялся способ ориентирования, разработанный Гор­ ным Бюро США. Результаты испытаний коронок с ориентирован­ ными и неориентированными алмазами показали, что проходка на коронку с алмазами, ориентированными по вектору наибольшей твердости, увеличивается на 38%, скорость бурения — на 40%, а стоимость 1 м снижается на 37%.

Ориентация алмазов по вектору наибольшей твердости непри­ менима к карбонатам и балласам.

Испытания показали, что низкосортные алмазы можно при­ менять для бурения скважин, но при этом повышается примерно на 50% расход алмазов, а скорость бурения не меняется.

Кабардино-Балкарский завод алмазных инструментов освоил выпуск алмазных коронок, армированных объемными низкосортными алмазами. Для подрезных алмазов применялись высококачествен­ ные алмазы. Проходка на коронку, армированную объемными низко­ сортными алмазами, составляла в среднем 13 м, а на коронку, арми­ рованную алмазами 1 сорта, — 17,0 м.

Применение в коронках низкосортных алмазов в качестве объем­ ных позволило значительно расширить алмазное бурение.

Вместе с тем в этих коронках для подрезных камней применялись алмазы высокого сорта. В среднем для изготовления таких коронок необходимо было около 35% высококачественного и 65% низко­ сортного алмазного сырья.

Учитывая дефицит буровых алмазов высокого качества были проведены исследовательские работы по разработке методов повы­ шения качества низкосортных алмазов с целью применения их не только в качестве объемных, но и подрезных.

Институтом ВИТР была разработана специальная установка по повышению буровых свойств низкосортных алмазов борт путем их овализации. В этой установке трещиноватые камни раскалываются, острые углы сглаживаются, и грани приобретают округлую форму, значительно более стойкую к динамическим нагрузкам.

Сравнительные испытания коронок, армированных овализованными алмазами, показали следующие результаты.

Средняя проходка на коронку составила:

1)для коронок, армированных только овализованными алмазами, 14,2 м;

2)для коронок, армированных овализованными алмазами в каче­

стве подрезных, 21,1 м.

Втех же условиях средняя проходка серийных коронок, арми­ рованных необработанными алмазами высоких сортов в качестве подрезных и низкосортными в качестве объемных, составила 17,7 м.

Всоответствии с результатами испытаний сделан вывод, что:

1) овализованные алмазы можно применять для армирования коронок в качестве подрезных взамен алмазов первого сорта;

2) армирование коронок подрезными овализованными алмазами увеличивает стойкость коронок в среднем на 30%.

Типы алмазных коронок

идругой инструмент для алмазного бурения

Внастоящее время в СССР выпускаются алмазные буровые коронки следующих типов:

1)однослойные;

2)трехслойные (многослойные);

3)импрегнированные;

4)бескерновые коронки (долота).

Алмазная буровая коронка состоит из матрицы, армированной алмазами, и стального корпуса с резьбой, которые прочно соеди­

гаются по торцу по определенной схеме в один слой (рис. 87, а). Боковые поверхности коронки (внутренние и наружные) армируются

по торцу, затупляются, вследствие чего скорость бурения постепенно затухает. Рациональной областью применения однослойных алмаз­ ных коронок являются породы VI—X категории по буримости. Однослойные коронки армируются алмазами зернистостью от 4 до 60 штук на карат. В СССР выпускаются однослойные коронки без выступа алмазов (01АЗ и 01А4) и с заданным выпуском алмазов МВС-1, МВС-2 и МВП-1 и МВП-2.

ственные и более крупные, часто овализованные алмазы. Коронки типа 01АЗ имеют матрицу твердостью HRC = 20—25

Около 65—60% алмазов — объемные, 35—40% — подрезные. Изготовление однослойных алмазных коронок с выступающими

алмазами осуществляется вибропрессованием матрицы в графитовых пресс-формах. По ходу вращения ко­

Т а б л и ц а 28

Т ехническая характер и сти ка им прегнированны х алм азны х коронок

Промывочная система представляет собой косые прорези между секторами матрицы. Чем абразивнее порода, тем большей твердостью должна обладать матрица.

В настоящее время ведутся работы по созданию новых, более совершенных типов коронок с выступающими алмазами.

Многослойные алмазные коронки отличаются от однослойных тем, что в них торцевые (объемные) алмазы располагаются в несколько слоев, причем по мере износа первого слоя в работу вступают алмазы следующего слоя и т. д. (см. рис. 87, б).

Такая конструкция обеспечивает большую равномерность ско­ рости бурения. Внутренняя и наружная поверхности матрицы армируются более крупными подрезными алмазами. На рис. 87, б показана схема трехслойной алмазной коронки. Рациональной обла­ стью применения многослойных коронок являются породы X —XI категории по буримости.Многослойные коронки по торцу армируются алмазами зернистостью от 60 до 120 штук на карат, а по боковым поверхностям — от 30 до 40 штук на карат.

Подрезные алмазы в многослойные коронки вставляют примерно в 2,5 раза меньше, чем объемных (по весу).

Импрегнированные коронки. В импрегнированной коронке торце­ вые алмазы располагаются без какой-либо определенной схемы.

Зернистость применяемых алмазов колеблется от 120 до 500 штук на карат и более. В процессе изготовления объемные алмазы равно­ мерно перемешиваются с материалом матрицы, после чего матрица прессуется и спекается. Крупность подрезных алмазов в импрегнированных коронках колеблется от 30 до 60 штук на карат. Схема импрегнированной коронки показана на рис. 87, в.

Техническая характеристика импрегнированных коронок при­ ведена в табл. 28.

Ведутся опытные рабты по созданию импрегнированных коронок с зернистостью алмазов от 450 до 10 000 штук на карат. Кроме того, разрабатываются коронки с мягкой матрицей (HRC = 15—20) и с очень мягкой матрицей (HRC = 10).

Институт ВНИИАЛМАЗ разработал новую технологию изго­ товления импрегнированных коронок с «гранулированными» алма­ зами, которая заключается в том, что алмазные зерна покрываются слоем порошкообразных твердых сплавов, входящих в состав шихты. Такие «гранулы» укладываются в специальную пресс-форму и далее прессуются и спекаются. Такая технология обеспечивает равномер­ ное распределение алмазов в матрице, так как толщина порошкового ■слоя получается одинаковой.

Алмазные долота для бескернового бурения

Алмазные долота предназначены для бурения скважин без отбора

Однослойные алмазные долота предназначены для бурения пород V III—IX категории по буримости. Импрегнированные долота пред­ назначены для бурения пород IX —XI категории. На рис. 89 пока­ зан общий вид алмазных долот. В однослойные долота вставляют 10— 11 карат алмазов зернистостью 20—30 зерен на карат. В импрегни­ рованные долота вставляют ~20 карат. При этом объемные алмазы берутся зернистостью 50—250 штук на карат, а подрезные — 20— 30 штук па карат. Диаметры долот 46 и 59 мм.

Алмазные калибровочные расширители

Калибровочные расширители предназначены для сохранения диаметра скважины в процессе бурения. Применение их предохра­ няет износ алмазных коронок по наружному диаметру, стабилизирует работу коронки на забое, снижает вибрации. Расширитель пред­ ставляет собой стальной цилиндр, армированный специальными штабиками с алмазами. Длина штабика около 40 мм. Корпус расши­ рителя имеет на нижнем конце внутреннюю резьбу под коронку, а на верхнем конце — наружную резьбу под колонковую трубу. Нижняя часть расширителя является корпусом кернорвателя.

Рис. 90. Общий вид калибровочного алмаз­ ного расширителя.

Для армирования расширителей применяются алмазы высшего качества зернистостью 10—30 штук на карат. На рис. 90 показан алмазный калибровочный расширитель РМВ.

Колонковые трубы

Колонковые трубы для алмазного бурения разделяются на оди­ нарные и двойные с вращающейся и невращающейся внутренней трубой.

Одинарные колонковые трубы рационально применять только при бурении монолитных пород, дающих высокий выход керна.

Двойные колонковые трубы с вращающейся внутренней трубой — ТДВ (рис. 91, а) применяются при бурении монолитных пород средней твердости и трещиноватых твердых пород. Применение таких труб обеспечивает уменьшение размыва керна, так как промывочная жидкость интенсивно омывает его только на небольшом участке (от нижнего конца внутренней трубы до забоях). Кроме того, за счет возникающего обратного восходящего потока промывочной жидкости облегчается вхождение керна во внутреннюю трубу, уменьшаются самозаклинки и увеличивается проходка за рейс.

Двойные колонковые трубы с невращающейся внутренней трубой ТДН (рис. 91, б) предназначены для бурения алмазами в рыхлых

иразрушенных твердых породах, а также переслаивающихся породах различной твердости. Применение их обеспечивает сниже­ ние возможности самозаклинки керна, увеличение проходки за рейс

иповышение выхода керна.

При алмазном бурении без кернорвателей заклинка кернов в колонковых трубах производится битыми стеклами или фарфором.

Такой способ заклинки требует много

,времени, особенно при глубоком бурении. Иногда плохо заклиненный керн выпа­ дает при подъеме.

Всесоюзным научно-исследовательским институтом методики и техники разведки

(ВИТР) разработана конструкция и техно-

’логия изготовления надежных кернорвательных колец.

Как показали испытания, работоспо­ собность рвательных колец составляет от 10 до 35 м в зависимости от абразивных свойств пород. Применение кернорвательных устройств позволяет снизить время на заклинку керна до 1—2 мин, в то время как при использовании для этих целей битого стекла, фарфора и т. п. время на осуществление заклинки керна составляет от 10 до 40 мин в зависимости от глубины скважины.

42 мм соответственно; для коронок 59 и 76 мм диаметром 50 и 54 мм. Коронка, колонковая труба, переходник и нижние штанги должны быть после свинчивания соосны и прямолинейны. При бурении в крепких породах между коронкой и колонковой трубой необходимо включать алмазный расширитель (см. рис. 90) для калибровки ствола.