Износ алмазов и отработка алмазных коронок

Несмотря на то, что алмаз самый твердый и самый износостойкий материал при разрушении твердых горных пород алмазные резцы тоже изнашиваются, при этом породы разрушается несколько метров, а алмаз изнашивается на доли миллиметра. В однослойных коронках, где размер алмазных резцов составляет 1 – 2,5 мм., износ алмаза допустим на 0,4 – 0,9 мм соответственно, т.е. на 30 – 40 % от своего размера, иначе алмазное зерно может выпадать из матрицы и способствовать разрушению оставшихся в коронке алмазов. В импрегнированных коронках, где размер зерен менее 1 мм алмазные зерна изнашиваются полностью и если остатки зерен и выпадут из матрицы, то они в виду их малости будут выноситься с забоя потоком очистного агента.

Одна из основных задач оптимизации технологии алмазного бурения – минимизация расхода алмазов. И по нормативам и по производственным данным расход алмазов может составлять от 0,1 – 0,2 до 1,0 – 1,5, а в наиболее тяжелых случаях (породы Х11 категории, абразивные, трещиноватые) до 3 – 4 карат на метр бурения. Минимизация интенсивности износа алмазов в процессе бурения зависит от многих факторов, главные из которых следующие:

1. Правильный выбор алмазной коронки для данных пород – тип коронки, качество и размер алмазов, твердость матрицы (на грамотном производстве проводят анализ эффективности применения различных коронок в данном блоке пород и выбирают наиболее эффективные по износу алмазов и производительности).

2. Нахождение и поддержание рационального режима бурения, обеспечивающего минимальный износ алмазов, для чего наиболее эффективно применять управление процессом бурения по задаваемой оптимальной величине углубки за оборот!

3. Не допускать перегрева алмазной коронки – обеспечивать своевременную полную очистку забоя от выбуренной породы.

4. Применять очистные агенты, обеспечивающие понижение твердости породы на забое за счет проникновения в микротрещины.

По видам износ алмазных коронок разделяют на нормальный аномальный и аварийный.

Нормальный износ для однослойных коронок определяется по износу алмазов на 30 – 40% их размера или по износу высоты матрицы на 0,4 – 0,9 мм., но обычно визуально по опыту бурильщика. Нормальный износ импрегнированных коронок определяется по полному износу алмазосодержащего слоя матрицы (обычно 4 мм.) проявляющемуся прекращением углубки и ростом давления на буровом насосе за счет резкого уменьшения сечения промывочных каналов в коронке.

Аномальный износ, когда в коронке остаются работоспособные алмазы, но дальнейшее бурение такой коронкой становится невозможным. К таким видам износа относятся: образование кольцевых канавок на торце матрицы, конушение торца матрицы по внутреннему или по наружному диаметру, заполирование алмазов или торца коронки (для импрегнированных). Причины аномального износа разные для разных его форм:

Образование канавок может быть вызвано недостаточным качеством коронки, когда одна из кольцевых линий резанья оказалась насыщена меньшим количеством алмазов или в ней попался слабо закрепленный алмаз, который, выпав из коронки, выбил из матрицы другие алмазы в этой линии резанья. Канавка может образоваться и при попадании на забой посторонних твердых осколков твердого сплава или металла или зерен очень твердой породы.

Конушение, т.е. преждевременный износ наружной или внутренней частей торца матрицы обычно объясняют воздействием мелких обломков керна твердых пород скапливающихся между керном и коронкой или между коронкой и стенками скважины в сочетании с недостаточным качеством (или неправильным выбором) коронки и не лучшим выбором параметров режима бурения.

Заполирование алмазов в однослойной или торца коронки в импрегнированных происходит при бурении в очень твердых, но малоабразивных породах. В наиболее твердых породах внедрение алмазов в породу минимально, а при высоких скоростях вращения возрастает выталкивающая сила, и алмазы начинают скользить по поверхности породы, резко возрастает работа сил трения и происходит истирание режущей кромки алмазов. При минимальном количестве малоабразивного шлама матрица практически не изнашивается и обнажение алмазов по мере износа их выступающей части не происходит. Для борьбы с заполированием, прежде всего, подбирают параметры режима бурения – повышают до предельной величины осевую нагрузку и снижают частоту вращения. Это может позволить компенсировать выталкивающую силу и увеличить глубину внедрения алмазов в породу и перевести процесс трения в процесс разрушения породы, а образующийся шлам будет способствовать истиранию матрицы и обнажению алмазов. К сожалению, в ряде пород подбором параметров режима бурения исключить заполирование не удается. Более действенным методом борьбы с заполированием является применение высокочастотных гидроударников, которые за счет ударных импульсов позволяют увеличивать глубину внедрения алмазов и значительно уменьшать трение алмазов о породу, что и позволяет устранить или значительно уменьшить заполирование. Третий путь борьбы с заполированием – механическая заточка коронок. Попытки заточить, начавшую заполировываться коронку, не поднимая ее с забоя во время бурения, путем кратковременного выключения промывки – «варварский» метод, приводящий к повышенному расходу алмазов, а то и к аварии. Механическая заточка заполированной коронки возможна после ее подъема на поверхности на торце вращающегося заточного круга, но очень осторожно, чтобы не повредить алмазы. Четвертый вариант восстановления заполированных коронок – метод электролитической заточки. Матрица заполированной коронки подсоединенной к аноду источника постоянного тока погружается в раствор электролита (обычно раствор медного купороса) в металлической емкости, подключенной к катоду того же источника. Под действием постоянного тока частицы меди из матрицы переходят в раствор, она как бы подтаивает, и алмазы обнажаются. Степень обнажения алмазов зависит от силы тока и времени процесса.

Аварийный износ. Это, когда коронка разрушается на забое. Это сколы части сектора матрицы или сколы целых секторов. Обычно сколам части сектора предшествует образование микротрещин в матрице, заметных при очень внимательном осмотре коронки перед спуском ее в скважину, для чего на буровой желательно иметь увеличительное стекло. Разрушение коронки может произойти и при чрезмерной осевой нагрузке - коронку можно «раздавить». То же может произойти при большой осевой нагрузке при бурении в трещиноватых породах.

Наиболее страшное для буровиков слово «ПРИЖОГ», Если по какой либо причине на забой не будет поступать поток очистного агента, коронка и порода начнут (из-за трения) разогреваться без охлаждения и коронка и порода буквально расплавляются и свариваются, Кроме потери коронки, в таком случае происходит и серьезная авария, поскольку приваренную к породе на забое коронку часто не удается сразу поднять и приходится вести долгие аварийные работы по подъему бурового снаряда и чистке забоя скважины.

О т работка алмазных коронок.

В отличие от твердосплавных коронок и долот, которые после полного износа отправляются в металлолом, алмазные коронки после полного износа работоспособной части объемных резцов объемных резцов (30% у однослойных и полный износ у импрегнированных коронок), сохраняют значительную стоимость. В импрегнированных коронках почти полностью остаются подрезные резцы, в качестве которых применяются более крупные и хорошего качества алмазы. В однослойных коронках для дальнейшего использования пригодны и подрезные и оставшиеся части объемных алмазов. Поэтому отработанные алмазные коронки в обязательном порядке отправляют на завод на «рекуперацию», где смесью серной и азотной кислот матрицу растворяют, а алмазы как самые химстойкие полностью сохраняются и используются для изготовления новых коронок. При этом такие рекуперированные алмазы считаются более качественными и надежными, поскольку они прошли испытание работой и остались целыми, все слабые и дефектные разрушены в процессе бурения.

. Особенности отработки импрегнированных коронок в породах Х – Х11 категорий.

Как указывалось ранее, эффективность любого процесса и бурения в том числе определяется двумя показателями:- производительностью и себестоимостью при заданном качестве. Для процесса бурения геологоразведочных скважин обычными снарядами такими показателями являются рейсовая скорость и себестоимость метра бурения. Напомним, что рейсовая скорость, являющаяся показателем производительности в рейсе прямо зависит от двух величин:- механической скорости бурения и величины углубки за рейс. Себестоимость метра бурения также прямо зависит (кроме постоянных затрат) от двух величин:- обратно пропорционально рейсовой скорости бурения и обратно пропорционально износу породоразрушающего инструмента. В свою очередь, углубка за рейс при бурении в твердых породах, как правило, лимитируется износом породоразрушающего инструмента. В породах Х – Х11 категорий разведочное колонковое бурение осуществляется импрегнированными алмазными коронками. Механическая скорость бурения в таких условиях жестко определяется оптимальной величиной углубки за оборот и при определенной условиями бурения частоте вращения становится величиной постоянной. Следовательно, повышение эффективности бурения может достигаться по двум направлениям:- повышением углубки за рейс и уменьшением интенсивности износа алмазов. При бурении импрегнированными алмазными коронками в породах Х – Х11 категорий эти две стороны процесса тесно связаны и связывает их показатель – проходка на коронку или «ресурс коронки». Анализ производственных, собственных экспериментальных и литературных данных алмазного бурения в указанных породах позволил авторам выдвинуть и обосновать тезис, что максимальная эффективность будет достигнута при полной отработке алмазной коронки за один рейс.

Конечно идеально было бы пробурить всю скважину за один рейс! Однако, это возможно только в мягких породах и при небольшой глубине скважины (см. бурение КГК). В твердых породах и при большой глубине скважин, при бурении обычными снарядами, бурение ведется незначительными по величине рейсами, ограниченными главным образом, ресурсом коронки. Но и независимо от ограничений, для колонкового бурения имеется разумно ограниченная максимальная углубка за рейс – рейс нецелесообразно увеличивать больше длины свечи бурильных труб, т.е. в пределах 12 – 18 метров. С другой стороны ресурс алмазных коронок в породах Х категории и выше практически не достигает этих размеров.

Анализ значительного объема литературных данных (учтено отработка 14800 коронок) позволяет составить таблицу средних ресурсов импрегнированных алмазных коронок при бурении в породах!Х –Х!! категорий.

Таблица № 17

Категория пород по буримости	1Х	Х	Х1	Х11
Средний ресурс коронок (02И3 D=59мм), м.	9,0	8,0	6,0	4,0
Средний расход алмазов, карат/м.	0,8	1,2	2.0	3,0
Нормативный расход алмазов (ВИТР) карат/м.	0,71	0,95	1,30	1,85

Разброс показателей ресурс коронок не превышает 20% и ресурсы отдельных коронок в породах 1Х – Х категорий находятся в пределах от 6,9 до 13,9 метров. Данный анализ показывает, что начиная с 1Х категории буримых пород ресурс алмазной коронки, как правило, не превышает разумно максимальной углубки за рейс. Отсюда следует, что при алмазном бурении в породах 1Х – Х11 категорий, оптимальная углубка за рейс практически совпадает или ограничивается ресурсом коронки и, следовательно алмазная импрегнированная коронка может быть полностью отработана за один рейс. Такая методика отработки алмазных коронок позволит получить и максимум производительности – максимум рейсовой скорости (мах Vр при мах hр и Vм = Соnst), и минимальную себестоимость за счет минимального расхода алмазов. Последнее утверждение обосновано тем, что при отработке алмазных коронок за несколько рейсов при каждом спуско-подъеме и при каждой приработке коронки к забою происходит дополнительный до 10% и более расход алмазов.

Дата добавления: 2014-01-07