3.3. Долота истирающе-режущего действия

Эти долота с твердосплавным вооружением изготавливают двух типов МСЗ и С для разбуривания мягких абразивных горных пород (слабо сцементированные песчаники и алевролиты), неабразивных горных пород средней твердости (глинистые сланцы, аргиллиты, гипсы). Вооружение этих долот выполняется в виде лопастей, но не со сплошной, а с прерывистой (гребенчатой) режущей кромкой (рис.16). Именно это прин-ципиально отличает долота ИР действия от долот РС действия. Гребен-чатость режущей кромки обеспечивает создание более высокого давления

на горную породу забоя скважины, способствует лучшему охлаждению режущих элементов вооружения промывочной жидкостью.

Долота типа МСЗ выполняются трехлопастными диаметром от 190,5 до 269,9 мм, типа С – шестилопастными диаметром от 76 до 269,9 мм. Истирающе-режущие долота изготавливаются как с обычной цент-ральной, так и с гидромониторной системами промывки.

Рис. 16. Долото трехлопастное истирающе-режущее: 1 – корпус, 2 – лопасть, 3 – твердосплавный элемент, 4 промывочное отверстие

Шифруются долота ИР действия следующим образом: 3ИР 190,5МСЗ,

6ИРГ 215,9С, где цифры 3 и 6 – число лопастей долота, буквы ИР указывают на то, что долото является долотом ИР действия, числа 190,5 и 215,9 – характеризуют величину диаметра долот в миллиметрах, аб-бревиатура МСЗ и С характеризует типы долот.

3.3.1. Разрушение горных пород при бурении скважин алмазным породоразрушающим инструментом. Для разбуривания горных пород, обладающих очень высокой твердостью, используются долота с воору-жением в виде алмазных зерен-резцов небольшого размера. Алмаз - самый твердый из имеющихся в природе минералов, является чрезвычайно хрупким. Такое свойство алмаза определяет основную особенность использования алмазных долот в бурении - отсутствие динамических нагрузок на долото. Кроме того, высокая хрупкость алмаза не допускает наличия на забое металлических предметов (обломок зубков и пр.). Показатели работы алмазного долота в наибольшей степени зависят от совершенства промывки забоя скважины.

По принципу взаимодействия с горной породой алмазные долота относят и к инструменту ИР действия (Спивак А.И., Попов А.Н.), и к инструменту режуще-раздавливающего действия (Сулакшин С.С.). Алмазный породоразрушающий инструмент состоит из трех основных частей: корпус, матрица, алмазные резцы (Рис.17). В матрице долота выполнены промывочные отверстия, переходящие в промывочные каналы. Форма алмазных зерен-резцов самая разнообразная. Зерна выступают над матрицей на величину (0.2 – 0.25) от величины их диаметра.

Размещение алмазных резцов в матрице может быть различным: одним слоем на поверхности матрицы, в поверхностном слое матрицы толщиной

5 - 6 мм, по всему ее объёму (в последних двух случаях говорят об импрегнированных слоях).

Рис.17. Разновидности алмазных долот: а – однослойное радиальное, б – ступенчатое, в – спиральное, г – импрегнированное

Для относительно мягких горных пород используют долота с круп-ными вкрапленными алмазами. С увеличением твердости горных пород следует использовать алмазные долота, у которых величина алмазного зерна уменьшается в размере. Такая закономерность связана с достиже-нием максимальной эффективности разрушения: в относительно мягкие горные породы для повышения эффективности разрушения можно вдавить и большое алмазное зерно, но для твердых горных пород такое делать нельзя, т.к. алмаз может выкрошиться из матрицы.

Алмазные зерна разрушают горную породу микрорезанием и истиранием. Так как с увеличением осевого усилия на долото внедрение алмазного зерна быстро достигает предельного своего значения, равного высоте его выступа из матрицы, то повышение эффективности разрушения горной породы забоя связывается с эффективностью разрушения породы при действии усилия резания.

Разрушение породы перед алмазным зерном при вращении долота возникает при достижении напряжения сжатия в горной породе перед резцом предельной величины прочности для данной породы. Для того, чтобы при бурении разрушалась вся поверхность забоя, породораз-рушающий инструмент оснащается большим количеством алмазных резцов, располагающихся группами по определенной системе в торцевой поверхности матрицы. Резцы разных групп разрушают породу по дискретно расположенным линиям резания, а в целом - по всей площади забоя. Эффективность поражения забоя обеспечивается в том случае, когда концентрические зоны разрушения, возникающие на поверхности забоя скважины, перекрываются. Глубина и ширина риски (царапины) на поверхности горной породы составляет доли миллиметров: например, глубина риски при разрушении мрамора, известняка, гранита изменяется от 0,04 мм до 0,14 мм при выпуске алмазных зерен от 0,1 до 0,7 мм, ширина зоны разрушения у габбро изменяется в диапазоне (0,3 - 0,92) мм, порфирита диабазовского – (0,13 – 0,5) мм (результаты получены в ВИТР).

Возникающая на поверхности горной породы забоя при движении алмазного зерна риска дополнительно разрушается под действием промывочной жидкости, которая используется для выноса шлама с забоя на поверхность (эффект П.А.Ребиндера).

Алмазные долота не обеспечивают большой механической скорости бурения, но обеспечивают очень большую проходку на долото. Приме-нение алмазных долот эффективно на глубинах более 2000 м и при разбуривании неабразивных горных пород.

Алмазное долото выходит из строя тогда, когда по каким-либо причи-нам алмазы в матрице изнашиваются. Большое значение для увеличения долговечности алмазного инструмента имеет эффективное охлаждение рабочих поверхностей инструмента. Это предотвращает графитизацию алмазных зерен. С другой стороны, высокая интенсивность промывки может вызвать эрозионное изнашивание матрицы. По этой причине режим работы бурового алмазного инструмента строго регламентирован инст-рукциями.

Поломка алмазных долот может произойти в результате эрозионного и абразивного изнашивания матрицы, выпадения алмазных зерен под действием динамических нагрузок, образования сальника на долоте. Признаки поломки долот: снижение скорости проходки, увеличение давления промывочной жидкости на насосе.

Использование алмазнотвердосплавных пластинок (на пластинку, изготовленную из твердого сплава, наносится слой поликристалличесого алмазного покрытия) в качестве зубков, укрепляемых в лопастях или секторах долот, в несколько раз увеличивает механическую скорость бурения по сравнению с долотами, оснащенными природными алмазами. Низкие осевые нагрузки, при которых происходит эффективное разрушение горных пород на забое при использовании такого инст-румента, позволяют применять эти долота и для профилактики само-произвольного искривления скважин.