автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование взаимодействия с горной породой безвольфрамовых матриц буровых коронок, оснащенных синтетическими алмазами, с целью повышения эффективности их применения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ политики РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ СЕРГО ОРДИОНИКИДЗЕ

На правах рукописи У.ДК 622. 24. 085

ИСОНКИН АЛЕКСАНДР ШтШШЧ'

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ГОРНОЙ ПОРОДОЯ^БЕЗВОЖФРАНОВЫХ МАТРИЦ БУРОВЫХ КОРОНОК, ОСНАЩШХ- СШтШЮШЯ' ЖЛМАЗШ, С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРИШЕНИЯ. '

Специальности С5.15.14 -"'- "Техяигаг-и технология геологоразведочных'работ"

А В Т 'О 'Р Е'Ф Е'Р'А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993 г.

Работа выполнена в Институте сверхтвердых материалов Академии наук Украины.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

заведующий отделом сверхтвердых материалов в бурении Р.К.Богданов

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Н.В.Соловьев

Официальные оппоненты- доктор технических наук, 'профессор Б.Б.Кудряшов кандидат технических наук В.К.Володченко

Ведущее предприятие - ГШ "Центргеология"

Защита состоится ¿оСЛс'^&ё 1993 г. в час.

8 еуд. № на заседании специализированного совета Д.063,55.О' при Московской государственной геологоразведочной академии имени Серго Овдхоникидзе (г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан "¿0 " еЪсГЛСЪЛ 1993 г.

■Учений секретарь специализированного совета, доткор технических наук.

профессор А-'М-Д1!№Т0ВСКИЙ

г ¿:

Актуальность работы. Дальнейшее повыпекие эффективности геологоразведочных работ неразрывно связано с научно-техническим про- ' гроссом в области разведочного бурения и в первую очередь - с созданием, высокопроизводительного порсщоразрушающего инструмента

Одним из направлений решения этой задачи является разработка я пирокое использование при бурении в твердых горных породах IX-XI категории буримости шлрегиировакякя буровых норонок", оснащенных синтетическими алмазами.

Достижения Института сверхтвердых материалов АН Украины в области синтеза высокопрочных синтетических алмазов способствовали разработке новых конструкций ттрегнированных коронок и позволили-" значительно расширить объёмы алмазного бурения с их применением.- • &трицы серийных буровых кора кок изготавливаются ка основе-вольфрамосодеряздих материалов, m обладающих адгезионными свойствами по отяонению к алмазам. При этом обнажение алмазов ;на! рабочей поверхности Инструмента на величину, превьяпащготЛ/З'-раз-мера зерна, приводит в процесса бурения к их вырыву из оитрицы. Как следствие, породоразрушашШ инструмент не ■кспол.зуег'запрограммированный ресурс алмазов.

Ш основе анализа свойств и состава металлических связок, широта применяемых для изготовления алмаэкогсг-инструмента, работающего в условиях абразивного язнацивашп^'йикг.ярбдлояэяо считать перспектив«™ использовать в качестве--шгержзва матрица буровых коронок разработанный в ИСМ'Аг* Укрйиш без&эзвфрамовый материал КИЛМ и его разновидности. 'Шбйр етсгв■-качестве материала матрицы обусловлен относительно низкой температурой спекания (не более ЭБО°С) и высокой химической* жмвностью по отношению к алмазам.

В соответствии• с:игл^яэттжгжтуа/гьнт является' создание им-прегнированяых коропокр.-шгериах матрицы которых обладает высокой, адгезионной астивгостш-тто отиоиэнкю к синтетическим алмазам и обеспечивает в совокупности с другими конструктивными параметрами инструмента высокухг износостойкость и производительность бурения.

Ди с с ерт ациоштагг-- -раб о т а выполнялась по программе научно-исследовательских работ ИСМ3согласно Постановлен:«} ГКИГ СССР N535 от 31.12.86г. по-программе ОБО. 04. 01. 04.02. »'Создать и освоить производство буровшгкоронок, оснащенных новыми синтетическими моно-криеталлическими-алмаяами, для бурения крепких пород ¡X-X1I кате-горйй'Цуркмости".

Цель работы. Изучение основных затаномгрнсстеА накаливания '/третированных коронок с безЕольфрахсекми иэмпсз ¡пшенными ал-

цазосодержаадеш наградами при их контактировании с горной породой и разработка на основе полученных результатов высокоэффективного породораарукаюгфга инструмента, обеспечивающего повышение производительности геологоразведочного бурения.

Основные задачи исследований. Для доммкешл поставленной цеди необходимо было решить следующее задачи:

-провести теоретические и экспериментальные исследования закономерностей изнашивания безвольфрамовых композиционных алмазосодержащих матриц буровых коронок при их контактировании с горной породой и установить основные параметры, оптимизация которых способствует повышению иэносостой!сости породоразрушаодего инструмента;

- разработать ызтодику исследований гранулометрического состава шлама горной породы и провести количественную оценку доли абразивных частиц, актизно деформирующих рабочую поверхность матрицы буровой коронки;

- прорести исследования по установлению максимально допустимой углубки ва оборот с учетом предельных концентраций шлама а объёме мажзерешгсго пространства контактного зазора между рабочей поверхностью матрицы -и забоем скважши;

- разработать методику исследований макропараметров рабочей поверхности Суровой коронки при её изнашивании в процессе контактирования С горной породой;

- экспериментально обосновать возможность повышения 'износостойкости импрегнированньк коронок путем использования в качестве основы их матриц безвольфрамовых низкотемпературных адгезионно-активных металлических свивок, позволяющих увеличить выступание алмазов на рабочей поверхности породораарушащего инструмента;

- провести исследования влияния конструктивных параметров безвольфрамовой матрицы и параметров режима бурения на интенсивность разрушений горной породы, гранулометрический состав её шлама и иэносостойкосм буровых коронок;

- разработать конструкцию и внедрить в практику бурения ю.;претированные буровые коронки с безвольфрамовой матрицей, оснащенной синтетическими шнокрксталлическими алмазами, не уступающие по показателям работоспособности широко применяемому в настоящее время сородоразрушвдему инструменту с природными алмазами.

Цзтодикз нсследований. Разнообразный характер задач, решаемых в настоящей работе, потребовал применения комплексного метода исследований, сочетающего анализ и обобщение результатов предыдущих работ по изучаемому вопросу, выполнение теоретических и зкспери-

ментальных исследований в лабораторных условиях я производственные испытания разработанного бурового инструмент Обработка результатов исследований осуществлялась методами математической статистики и теории вероятности с применением средств вычислительной техники.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что автором впервые:

- аналитически установлена зависимость интенсивности изнашиваний • импрегнированной коронки от физико-механических свойств материала матрицы, её конструктивных параметров и параметров макрогеометрии рабочей поверхности, оптимальным сочетанием которых достигается возможность эффективного использования в Суровом инструменте мало износостойких безвольфрамовых материалов;

- аналитически установлена зависимость г.тубивд деформирования рабочей поверхности коронки частицами шлама гардой породы, учитывавшая их размеры и прочность, а такте изменение физико-механических свойств материала матрицы при ей контактировании р гррпой породой;

- с учетом предельно допустимой концентрации вд^ма в об^це неуверенного пространства зазора между рабочей поверхностью матрицы й вабоем скважины экспериментально установлена величина максимальной углуСки за оборот, превышение которой приводит к резкому увеличению износа буровых коронок;

- предложена методика .оценки гранулометрического состава шлама, позволяются с учетом параметров • макрогеометрии рабочей поверхности породораэруююдего инструмента количественно оценить доли частиц шлама, активно дефррмиругацих матрицу буровой коронки;

Достоверность научных положений и выводов обоснована значительным объёмом теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью их ¡результатов и подтверждена положительными данными производственных испытаний разработанных буровых коронок, в различных ;геолого-технических условиях бурения. Экспериментальные и производственные исследования подтвердили правильность теоретических предпосылок и предлагаемых аналитических зависимостей, разработанных методик, рекомендаций и технических решений.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований разработана импрегнированные буровые коронки типа БА-10, БА-24ССК и БА-ЗО для одинарного "колонкового снаряда и снарядз ССК-59, обеспечивающие проведение буровых работ с высокими технико-экономическими показателями.

Реализация работы в лрошшлекности. Разработан технологический процесс изготовлении и освоено серийное производство указанных коронок на Опытном заводе ЙСМ АН Украины. Производственные испытания, связанные с реализацией разработок и ре!соиендаций автора й проведенные на протяжении 1085-1092г. в различных геодого-гехни-ческйх условиях бурения ГО"Западкварцсамоцветы", Каираккумской ГРЭ (Таджикистан), ШТ'Уралцветиетрааведка" показал перспективность их эффективного использования при бурении сквахин в «ердых слабоабразивных горных породах \Ш1-Х1 категории Суру/даст Обвдй экономический аф|йкг от внедрения разработок в указанных организациях составил более 570 тис. рублей (в ценах на шменг внедрения).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических совещаниях ГПО"Укргеология", научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЫРРИ в 108р-1092г. г., Всесоюзной шкоде передового опыта "Повышение скоростей бурения колонковых скважин на основе внедрения научно-технических достакий"(Ниев, 1988г.), научных сеширах отдела проблем сверхтвердых материалов в бурении (Киев, ЯСМ АН Украины,1992-93г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обшдх Ььшодов, списка использованной литературы, включающего НО наименований, и 3 приложений. Изложена на 1Б4 стр. мавияовисного текста, содержит 12 заблиц и иллюстрирована 31 рисунком.

В введении обосновывается актуальность проводимых исследований и краткая характеристика работа

В первой главе приводится анализ изученности проблемы, современных предсгавлэяий о контактировании юродораарушашего инструмента с горной породой, механизме его изнашивания и исследований, направленных на выявление основных факторов, существенно вдиявдх На износостойкость буровых коронок. На основании проведенного ана-. лйза обоснована цель работы и определены задачи исследований.

Вз второй главе изложены методики исследований, используемые методы планирования экспериментов и обработки полученных результатов. Приведены технические характеристики экспериментальных стендов, применяемого оборудования и приборов.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям процесса контактирования породоразрушаш,его инструмента с горной породой И продуктами ее разрушения, в результате которых:

-установлена зависимость, газ воля ияеи оценить вякпкке на интенсивность кзисливания импрегнпрованных буровых коронок га конструктивных параметров, параметров режима бурения и мэкрогеометрии рабочей поверхности, физико-мехаиичйскнх свойств материала матриц» я частиц шлама разрушаемой горной породы;

-проведена аяадктическая оценка деформирования рабочей поверхности Суровой коронки единичными частица),от шлама; -определены основные конструктивные параметры, изменение которых до оптимального значения способствует позыиэаяю износостойкости шпрегиированных буровых коронок.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по- определению:

-состаза наиболее износостойкой низкотемпературной безвьль-■¡■раковой адгезионно-активной связки для использования ее 8* качестве композиционного' алмазосодержащего материала -матрицы^

-влияния конструктивных параметров матрицы1зеряистостг я относительная концентрация алмаз оя, длина алмазоносных' секто- • роз) н параметров режима бурения на высотугввгступанил алмазов на рабочей поверхности и износостойкость"-бйзовах коронок, эф- . фегятаноств разрушения горной городы, г раиу.поме тр и че с кий состав к концентрации ее шлама в прязаСойпой конгактяой зоне.

Определены конструктивные- пвраметрв1 матрицы, оптимальное соотношение которых способствуй умснь>шенттю доля частиц плат, активно деформирующих рабочую'Поверхность матрицы, и обеспечивает повышение- износостойкости буровых■ коронок.

В пятой главе изложены краткая характеристика конструкции бу ровых корояок'с -бёзволБфрамовой "матрицей и результаты их прокз-водственннх'испнганий'в разлкчтос геолого-технических условиях бурения." Определена'-экономическая эффективность применения буровых корснозс'Тйпаг ВА-Ю; БА-24ССК и БА-30, разработанных с непосредственным участием автора, в сравнении с серийными буровыми коронками типа 02ИЗ и К-08, сснапртплпг природным:! алмазами.

В заключении с формулированы основные выводы по работе.

Приложения'содержат технические акты производственных испытаний 'разработанных Суровых коронок я расчеты экономической эффективности: их применения.

Двтор выралает искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему отделок проблем сверхтвердых материалов а бурении ИСМ АН Украйни, кандидату технических наук, Р. И Богданову и научному консультанту, кандидату технических наук, допенту кафедры

разведочного бурения ШТА Я Е Соловьеву за постоянное научное и методическое руководство в процессе выполнения работа

Автор глубоко признателен докторам технических наук, профессорам А. Г. Калинину и Д. Е Вашкатову, профессорско-преподавательскому составу кафедры разведочного бурения ИГГА за критические ваыачания и полезные советы, а также благодарен сотрудникам ИСК АН Украины га благожелательное отношение и всестороннюю помощь в процессе выполнения и оформления диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ Краткие сведения по изучаемому вопросу. Исследованиям работоспособности и износа алмазных буровых коронок посвящены груды С. А. Волкова, Б. И. Воздвиженского, Е. А. Козловского, Д. й Баыкагова, Л К. Горшкова, Б. Е Кудряшва, П. II Курочкина, В. П. Онюцина, Г. А. Блинова, О. а Иванова, Р. К. Богданова, А. А. Бугаева, Е Е Ливвдца, ЕЕЦылина, В. К. Володченко, ЕЕ Соловьева, и Е. Вудю-кава, А. Е Сахарова и других авторов.

Анализ процесса бурения и механизма изнашивания, изложенный в втнх работах и выполненный с учетом современных представлений о характере контактирования буровых коронок с горной породой, пока-вал, что абразивное изнашивание ишрепшраванных коронок характеризуется как сложный процесс. На его интенсивность существенное влияние оказывают такие факторы, как физико-механические свойства материала матрицы и абразивных частиц шама, их размеры, форма и концентрация в объёме межзёренного пространства зазора мевду рабочей поверхностью инструмента и забоем скваяияы. При определённом сочетании параметров режима бурения величина его механической скорости не только обуславливает предельно допустимую концентрацию шлама сод рабочим гордом коронки, но и способствует интенсификации теплофизических процессов, приводящих к герыоразупрочнению материала датрицы и значительному повышению её износа.

Совокупность этих факторов предопределяет формирование рельефа реальной рабочей поверхности буровых коронок с определёнными для каадого их сочетания параметрами макрогеоиетрии и обуславливает интенсивность изнашивания аородоразрушавдэго инструмента.

Важным моментом является то, что износ адмавов и структурно неоднородного материала Матрицы рассматривается как взаимосвязанный процесс, протекавший при весьма малых контактных зазорах между рабочей поверхностью коронки и забоем скважины с постоянным присутствием в них абразивных частиц шлама разрушенной породы.

При этом матрицы буровых коронок, как структурно неоднородные

армированные алмазами материалы, подвергни избирательному износу их мягкой составляющей - материала матрицы, а механизм изнашивания при постоянном наличии шлама под рабочим торцом зависит от величины межконтактного зазора, количества в его объеме твердых абразивных частиц, их размера и прочности.

При разработке теоретических основ алмазосберегающей технологии и способов выбора рациональных режимов бурения Горшковым JL К., Зориным В. R .Кардышем В. Г. .Каулиным В. А. .Лкпатниковым Е Е .Башка-товым Д.К .Ганиным И. П. .Сумароковым Г. А. .Шэрсткжом 0. И. одним из важнейших показателей эффективности процесса разрушения горной породы определена углубка алмазной коронки за оборот. Отмечается, что предельно допустимая её величина с учетом критерия износо- , стойкости инструмента существенно зависит' от выступ ания аямаэов из матрицы и- степени очистки забоя от шлама.

В работах Курочкика П.Н.,Исаева MLJt,Касаточкина A.B. ,Крис-, тенсена Ф. X .Спирина а И. приведены результаты исследований'влияния высоты вьюгупания алмазов из матрицы на эффективность^рагру-шения горной породы и очистки забоя от пиама. Прк^эг'оЕг делается акцент на то, что для достижения высоких механических.скоростей бурения необходимо увеличить высгупание алмазов из- матрицы с целью обеспечения достаточного объёма ms сверенного пространства зазора между рабочей поверхностью матрицы и забоем скважины для размещения в нём частиц шлама диспергированной горной йороды.

Различие в рекомендациях по- увеличению 'высоты выступакия, как основной характеристике макрогеошгрют'рабочеЛ поверхности, обусловливает необходимость дальнейших ^ теоретических и экспериментальных исследований по детальному-изучению влияния этого параметра на износ коронок.

Не изученность проблемы уве личения износостойкости буровых ко- , ронок с относительно мягкой <Hi3Cf 10-15) бегвольфрамовой адгезионно-активной матрицвй^'оснащенной синтетическими алмазами, послужила основанием- для"проведения теоретических и экспериментальных исследований; изложенные в данной работе.

При этом в основу работы был положен анализ зависимостей, оп-ределяших-с учетом высоты выступання алмазов концентрация шлама диспергированной горной породы в объёме межзёренного пространства зазора между рабочей поверхностью матрицы и забоем скваданы, оказывающую превалирующее влияние на интенсивность кзналив&чия поро-доразруишлцего инструмента и производительность процесса бурения.

ОСНОВНШ ЗАЩВДйЕШВ ШШКЕНИЯ. Проведенные исследования позволим сформулировать следуицж? аащодаемш полоявния. 1. Глубина деформирования материала матрицы частицами шлама завися? 21 §1° фчзико-мвханичаохих свойств, размера и прочности частиц шлама, а у акав уровня контактных нагрузок на рабочем торце коронка.

Проведенные исследования базировались «а том, что матрицы буровых коронок, как структурно неоднородные материалы, подвержены избирательному износу их мягкой составляющей - свяаующэго материала, а механизм его изнашивания при постоянном наличии шлама под рабочим торцом коронки зависит от количества и размера абразивных частиц.

фи этом учитывалось, что в условиях действия температурного $актора и абразивных чаотлц при изнашивании протекают одновременно два процесса - разупрочнение -свавушаго материала матрицы в результате нагрева его поверхностного слоя и механическое действие твердых частиц при их расклинивании ыевду торцом коронки и горной породой на забое скважин.

Основываясь на основных положениях трибоники, в результате аналитических исследован!® с учетом влияния интенсификации тепло-фавических процессов в прязабойяоЯ зоне получено следующее выражение для количественной оценки предельной глубины деформирования материала матрицы частицами шлаыа

показатель, характеризующий сопротивляемость матрицы абразивному воздействию шлама; 6'ш -условное напряжение при разрушении частицы шама.ЫПа; с -коэффициент, учитывающий повышение несушей способности контакта частицы шлама с материалом матрицы; Рг -функция, описывающая изменение предела текучести СМИ материала матрицы при повышении температуры на рабочем торце коронки.

Предложенное математическое выражение (1) и данные экспериментальных исследований изменения прочностных характеристик материала 1*атриц буровых коронок послужили основой для аналитической оценки на ЭШ глубины его деформирования частицами шлама. Установлено, что при- повышении температуры на рабочей поверхности коронки до б00оС глубина деформирования возрастает Солее чем в 3 раза, способствуй качественному изменению процесса абразивного изнашивания, выражае-ирыуся в резком увеличении износа матрицы.

рГ.. 1

2. Повышение износостойкости лчпрегнирсдалщдс бу£Оянх о матрицами на основе безвояьфрановык адгезшино-8Чгг.вннх материалов достигается выбором оптимального сочетания их конструктивных параметров, способствующего увеличении выятупазшя алмазов на рабочей поверхности инструмзнта.

В соответствии с поставленной в работе задачей были проведены исследования, направление на установление оптимального соотношения конструктивных параметров сезвольфрамовой адгезионно-активной матрицы, способствующего повышению износостойкости буровых коронок.

В общем случае.износ матрицы коронки характеризуется интенсивностью изнашивания .,

(2)

Ц

где: Н - износ матрицы коронки по высоте, да;

¿г - длина пути трения коронки при бурении, ы;

Для определения величины износа матрицы по высоте учитывалось, что под рабочим торцом коронки при установившемся процессе бурения в любой из моментов времени находится определённое постоянное количество шлама горной породы, частицы которого взаимодействуют с матрицей и образуют нестационарную систему единичных фрикционных контактов. При этом принималась во внимание яатаая особенность абразивного изнашивания пар трения с наличием меаду ними прослойки свободного абразива, примером которого можэт служить ивнааивание матрицы буровых коронок частицами шлама. Эта особенность заключается в том, что задачу оценки износа можно свести к определению воздействия,- производимого одной частицей, и суммированием этих независимых повреждений.

С учетом вышеизложенного предложено следующее выражение интенсивности изнашивания буровой коронки

МНцЗа)6 /[ Л Р»с 53 К?

" М, 5Г(П„+1)М) V .т (Нам -Ъ/1 - В. Ри

(3)

где: -количество циклов взаимодействия частиц шлама с материалом матрицы, необходимых для образования следов остаточной деформации;

-соответственно площэдь рабочего торца коронки и забоя сква-шны,мм2;0„ Д)В1Г соответственно наружный и внутренний диаметры коронки,м;п5-количество алмазов на единице площади рабочей поверхности матрицы,шт./ммг;Нлм-максимальная высота выступания алмазов из мат-

рицы, мм; б -коэффициент, учитывающий содержание абразивных частиц в шламе и вероятность их расклинивания иеяду рабочим торцом коронки и мккрокеровностями породы ка забое скважины; Л-коэффициент пропорциональности;^-осевая нагрузка на коронку, определявшая величину углубил за оборот,Н;т.-количество секторов коронки,тт.; ^ - высота выступов породы на вабое скваяины (параметр вероховатости), мм; Уаз- объём выступающей из матрицы части единичного алмазного верка, ммл; Кр -коэффициент разрыхления разрушенной горной породы; 6С -ширина матрицы коронки, мы;-твердость породы по штамп/, Н/мм2;

(БйНа-На) <« ^

где: Н0 -количество зерен алмазов в 1 карате,егг./карат; $ -относительная концентрация алмазов в матрице, Зй-площадь проекции выступаюдей из матрицы части алмазного зерна на ее рабочув поверхность ,ш!; Нл- средняя высота выступания алмазов ш матрицы,мм; 0а-среднев8веиенный размер алмазов, мм;

Анализ выражения (3) показывает, что, при заданных параметрах резмма бурения и геометрических характеристиках рабочей поверхности юрою®, существенное влияние на износостойкость инструмента оказывают высота выступания алмазов и юс относительная концентрация в матрице.

Проведенные экспериментальные исследования износостойкости буровых коронок позволили установить, что в отличие от вольфрамо-содержащих матриц увеличение концентрации алмазов в безвольфрамэ-вой матрице до оптимального значения 175£ способствует снижении интенсивности её ивнашивания.

Подтверждением этого являются результаты исследований энергетических затрат при разрушении горной породы, гранулометрического состава шламз, параметров макрогеометрии рабочей поверхности коронки и количественной оценки доли его частиц, активно деформирующих рабочую поверхность матрицы (Рис. 1;табл. 1)

Анализ данных, приведенных в табл.1 и рис.1, свидетельствует о том, что при постоянстве для коронок объёма разрешаемой за оборот горной породы увеличение зазора между рабочей поверхностью матрицы и забоем скважины способствует снижению концентрации абразивных частиц шлама в призабойной зоне, степени их переизмельчения и воздействия на материал матрицы. Как следствие, снижается силы трения рабочего торца матрицы о забой скважины и шлам горной породы, уменьшая те« самым затраты энергии на износ коронки.

На,имл 3,mm/i.ï#ID

-5

Н.-:ах,1пы Руд,дай/см2 120

125 150 175 200 АС80 250/200 МКМ, Ноб»100мкы, п=800 юш"' Рис.1. Зависимость интенсивности изнашивания Суровых коронок, высоты выотупаняя алмазов из матрицы, удельных нагрузок на её рабочий торец от концентрации алмазов.

1-корошш с матрицей ВКб+Си; 2-коронки с безвольфрадавой матрицей.

Таблица 1.

Влияние выступания алмазов и их концентрации на энергоемкость разрушения горной породы, гранулометрический состав шлама И активность деформирования его частицами матрицы коронки.

Концентрация life личина за-алмазов АС80|зора между 250/200мкм,Z|матрицей и | забоем сква-| ланы, мкм =Har(-RMax

--1

Доля частиц ¡Средний шлама, дефор- ] размер мирущих ра- |частиц бочую поверх- IsuaMa, ность матрицыД! мкм I

Удельная объёмная работа разрушения, дя /м3*Ю8

125 150 175 200

20 35 41 30

16,3 8,4 6,7 8,9

I

11.5 13,3 Î3.9

11.6

12,44 11.18 10,87 13,96

■►Параметр Rwax для гранита равен 79 мкм и определен Закорой А. П.

Согласна приведенным на рис. 1 данным, увеличение концентрации алмазов б матрице выые оптимального значения, например до 200%, способствует повышению интенсивности изнашивания буровых коронок. Это обусловлено Еэзростаяием удельных контактных нагрузок кз рабочем торце, вызванном иовшзикем осевой нагрузки при бурении с одинаковой шханичзекой скоростью для всех коронок. ~

3. Шксимзльная углубка ва оборот П£И разрушении горной породы шпрегнировгитьш короккагт ограничена предельно допустимой коя-ц°нтрацией шлама в обтёме ыр:з$рзикого пространства контактного вазора иедду. матрицей и аабоек-: скважины, при превышении которой вьзлэ критического онач§шш резко иозростает износ инструмента.

Требуемая механическая скорость бурения может Сыть достигнута при различном парной сочетании частоты вравши л и .осевой на-гругки Р0,:. При этом ка каждой из сочетаний п и РоС обеспечивается определенная величина углубкя Суровой коронки за оборот и объем разрушаемой при этом горной породы.

В процессе проведения экспериментальных исследований износостойкости буровых коронок с бспвольфраиовышг адгезионно-активным» матрицами с поддержшиаи постоянной механической скорости бурения установлено, что характерным является достижение предельно допустимой углубки коронки за оборот, превкззпиэ которой вызывает резкое увеличение интенсивности иэпаииваяия и потребляемой шаткости

(РИС.2).

Анализ результатов исследований, приведенных на рис. 2, показывает, что при концентрации шлама в объёме мекзеренного пространства зазора мезду матрицей коронки и забоем ркважины до 75" протекает "нормальный" процесс бурения (8она 1). Подтверждением этого является то, что с увеличением углубки за оборот до значения,' соответствующего предельно допустимой концентрации шхат 75%, происходит повышение выступания алмазов из матрицы, относительно низкое возрос-танке удельной обгбмной работы разрушения горной породы и интенсивности изнашивания.

Дальнейшее повысение интенсивности разрушения горной породы при приводит к увеличению концентращш шлама выше предельно допустимого значения и при относительно небольшом возрастании объема разрушаемой горной породы вызывает резкое увеличение энергоемкости процесса бурения. При этом вначительная доля механической энергии идет ка преодоление сил трения рабочей поверхности торца коронки о горную породу и ей шлам, превращаясь в тепловую и способствуя тем самым снияекию под воздействием высоких контактных температур1

На.мкм Ау»,ла/:Лю3 З.сиД^Ю"5 !Ц% "" " 4 100

SO

• ео 70

50 40

60 80 100 120 HoSjMKM

Рис. 2. Зависимость интенсивности изнашивания, средней высо- ■ ты выступаниа алмазов из матрицы, удельной объемной работы раз-рувзния горной породы и концентрации илаш в мелоерзнком пространстве в зависимости от углубки коронки за один оборот. I- "нормальный" реким бурения; II- "критически?." режии бурения

прочностных свойств материала матрицы и закрепленных в ней синтетических алмазов.

Снижение в следствие этого мшротвердости вершин алмазов, контактирующих с горной породой, вызывает их интенсивное растрескивание и скалывание. Как следствие, высота выетупания алмааоз из матрицы снижается, уменьшается величина зазора иевду рабочей поверхностью торца коронки и забоем скважины, усугубляя накопление шлама в призабойной зоне. Несмотря на незначительнее посшешга гсонтакт-ных нагрузок на рабочий горец коронки, процесс бурения из "нормального" качественно переходит в "критический" со свойственным ему резким повышением интенсивности изнашивания (зона II).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований послужили основой при разработке конструкций оокашэиных синтетическими монокрисгаллическими алмазами ишрегшрованных буровых коронок типа БА-10, БА-24ССК и БА-ЗО с матрицами на основе безвольфрамовых адгезионно-активных металлических связок МЗ-21 н ИП-9.

Тай лица 2.

Тахнико-зкономкчвсккз иаказахелв агэдреназ! разработок.

1 1 N | 1........ 1ЕД. ------------- агязсв вс-т Г"............1 ва-ю | к-оа -----------------г. ... . ЗА-24ССК| 02ЛЗГ 1 I ВС-0б .....т ВАЗО 1

!п/п| Показатели |изм. 200/60 АС80 АСЗО | АС80 ЦЕООЯеО! АСЗО дсао |

| 1 1 1 250/200 250/2001 1 250/2С0 1 1 ¡315/2501315/2501

1 1 | количество отработанных коро- 1 1 1 !..... 1 Г 1 1 1

! | ной: 1 ш. 150 120 150 | 200 162 | 500 I 111 950 I

I 2 ¡Средняя проходка на коровку 1 М 5,87 12,3 15,2 ! 27,4 '39,4 I 14,32 1 15.21 23,7 |

I 3 ¡Средняя механическая скорость 1 I 1 1

1 ¡бурения |м/ч гл 2,6 3.0 1 1.8 1,7 1 1.84 1 2,04 2,70 |

| 4 ¡Содержание алмазов а коронке |кар. 11.4 14,2 17.4 | 20.6 25,0 1 11,8 1 13,2 17,2 |

| 5 (Удельный расход алшаоз |кар/м 1,34 1,15 1.15 [ 0,72 0,63 1 0,81 ! 0,66 0,73 I

1 6 ¡Средняя категория пород 1 - 9 52 1 9 8 1 9, 6 1

1 7*¡Стоимость 1 метра бурения ¡руб. 12,79 6,52 6,36 1 4,63 2,41 1 37,5 1 32,4 30,8 |

| 8*¡Экономический эффект на одну !НВ ! 1 1 1 ' 1

I 1 коронку 1 1 . ....._________ ___ ¡руб. ...... 97,7 1 г I 87,5 1..... 1 | 1 • 158,8 |

«Примечание: Значения показателей указаны в цекзх на момент внедрения.

Производственные испытания указаниях коронок проеодались в различных геолого-геаническия условиях буренка на разведочпш гшгэд-дях ГО"Западкварцсй,.;оцвйты", КаЯраккумской ГРЭ (Тадяястган), ШТ'Уравдвэтметразведага" па протяжении ISQS-WSHP. г. 8а базу сравнения были приняты широко испольвушжз в указанных организациях коронки конструкции ИСИ АН Украины типа ВС, оснащенные сютетичесгояла алмазами, и сэркйннэ кореши производства 1ШЭАИ типа К-08 и 02ИЗ, оснащенные природными алмзааия. Техвико-эконошческяе показатели применения разработанных корокск пр.ч их отработке на оптимальных реымах бурения, полученных в результате эксперимеитагьяих псслэдо-ваний, приведены в таблице 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные выводы диссертационной работы сводятся к слздувпдзыу: 1. Впервые установлена возможность эффективного использования в качестве материала матриц' буровых юзронок бэзЕольфэамовни нало-износостойких материалов, обладаида высокой адгезионной актизно-стью по отношении к синтетическим алмазам. Установлено, что предлагаемое решение позволяет в совокупности с оптимизацией конструктивных параметров увеличить выступание алмазов из матрицы, снизить концентрацию шлама в призабойяой контактной гоне и степень активного воздействия его частиц на рабочую поверхность буровой коронки, обеспечивая тем-самым высокую износостойкость породоразруязедзго инструмента и производительность бурения.

2. Впервые получена аналитическая зависимость интенсивности изнашивания буровых коронок от физшео- механических свойств материала матрицы и ее конструктивных параметров, параметров ре-гама бурения и иакрогеометрии рабочей поверхности, размеров и физико-механических свойств частиц илама разрушенной горной породы.

о. Аналитически установлена зависимость глубины деформирования рабочей поверхности буровой коронки частицами ишака горной породы, учитывающая их размеры и прочность, а тагана изменение в процессе износа физико-механических свойств связуюшэго материала матрицы. Установлено, что в результате снижения предела текучести материала матрицы при его терморазупрочнеаии происходит существенное увеличение глубины деформирования рабочей поверхности буровой коронки частицам шлама, способствующее качественному изменению процесса абразивного изнашивания и выражающееся в резком повышении износа.

4. Предложена методика оценки гранулометрического состава илама, позволяйся с учетом параметров макрогеометрии рабочей поверхности псродораврукаювдэго инструмента количественно оценить долю частиц шлага, активно деформирующих матрицу буровой коронки. Установлено, что в деформировании и иаишгиваиии.поверхности ра-' бочего торца матрицы буровых коронок, оснащенных синтетическими алмазами, активно участвует не более 10% общего количества частиц шлама, образ утадэгося при разрушении горной породы.

5. Доказано, что ьетюималышя величина углубки за оборот при раэрувении горной породы имнрогкированными коронками ограничена предельно допустимой ковдыгхрадоей 'виама в объёме ыэя-аеренкого пространства контактного вазора ыеаду матрицей и забоем скважкна Установлено, что её превыжнио еыеэ критического'значения 75'; приводит к резкому увеличению износа породо-разруваюврго инструмента.

6. Экспержмзигалыю обосновано и производственными яспыта-яияш подтверждено, что для повышения износостойкости разрабо-танньк буровых коронок относительную концентрацию алмазов в СевБольфрадавой патрице целесообразно увеличить до оптимального значения 175 Z.

?. Впервые в СНГ сотрудниками ЕШ с участием автора созданы ишрегнированные буровые коронки с безвольфрамовой матрицей, оонацйнной синтетичоскиш шнокркстаялическики алмазами, которые по работоспособности при бурении в твердых слабоайра-вивныя породах превосходят серийное алмазные коронки, оснащенные как природными, так и синтетическими поликристаллическими алмазами. Разработана промышленная технология и освоено опытно- продавленное изготовление разработанных коронок, позволяющее экономить для других нужд до 120 граммов вольфраш-кобаль-тового порошка ВКб из расчета на одну коронку.

8.Внедрение результатов исследований при проходке скважин км-прегнированнымИ коронками типа SA-10, БА-24ССК, БД-30 позволило, повысить производительность бурения в 1Ю"Запацкварцсамоцветы", Кайраккумской ГРЭ, ПГРГ'Уралцветштразведка" и получить экономический эффект 077Д тыс.рублей (в ценах иа момент внедрения).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исонкин А. М., Богданов Р. К., Голод Н. Ф. "Исследование работоспособности алмазных импрегнирозанных коронок с безвольфрамовой матрицей". В сб. "Буровой инструмент из сверхтвердых материалов" Киев 59?6г. с. 37-40

2. Исонкин А. М. .Вэгдаков Р. К. "Прогкоанроваянэ углубки за один оборот буровой коронки, оснаиэнной синтетичэскяш алмазвш" В сб. "Создание и внедрение породоразрувшэдгго инструмента, оснаданного синтетическими алмазами и сверхтвердыми материалами" Л. О НТК Ю 1987г. С. 19-26

3. Исонкин А. Ь1 "Износостойкость и энергоемкость раарузения горной породы буровыми коронками с повыаенной концентрацией алмазов в матрице" В сб. "Синтетические сверхтвердые материалы в геологоразведочном бурении" Киев ПСИ АН УССР 1987г. с.98-105

4. Исонкин А. М. .Богданов Р. К .Голод Н.Ф. .Кизиков а Д. "Новый беэ-вольфрамовый шродоразрудавдий инструмент из синтетических алма-вов" ü ЭИ ВИЭШ "Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства" Вып. 7 1987г. с.7-16

5. Исонкин A. Ü , Богданов Р. К., Ксбко Е П. "Влияние интенсификации режимов бурения на свойства материала матриц ишрегнироЕанных ico- -ронок" В сб. "Совершенствование техники и технологии бурения сква-wiH на твердые Полезные ископаемые" Свердловск СГМ вш. 12 1989г.

с. 39-43

6. Исонкин А. И. .Богданов Р. К. "Вгияние микрогеоыетрии рабочей поверхности импрегнированньж буровых коронок на пэкааагвли их работоспособности" В сб. "Научно-технические достижения и передовой опит в области геологии и развадки недр" МГСГГеоинформмарк" Ii. вып. 2 i 992г. с. 69-65

7. Исонкин А. И. .Богданов P. if, Потемкин Ы. И. .Аваамухаиздов P.A. "Влияние параметров режима бурения и конструктивных параметров матрицы буровой коронки на гранулометрический состав шлама горной породы" В сб. "Новые технические средства и технология провэдения разведочных горно-буровых работ" Ташкент САНГИМС 1991г. с. 35-41

8. Исонкин А.М. .Богданов Р.К. "Определение доли частиц пшат, активно участвующих в деформировании материала матрицы буровой ко-ронки""Известия ВУЗов. Геология и разведка" М. N2 1981г. с. 109-114

9. Исонкин А. а "Оценка интенсивности изнашивания матриц импрегни-рованных буровых коронок" В сб. "Синтетические сверхтвердые нате-риалы в геологоразведочном бурении" Киев ИСМ АН УССР 1987г. о. 14-17

10. Исонкин А. М. .Богданов Р. К. "Влияние длины секторов импрегкиро-ванной буровой коронки на показатели ее работоспособности" В сб. "Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр" ЫПГ'Геоинфорьшарк" 11 выл. 11 1992г. с. 45-48

Пода, в печ. 1.09.93. Формат 60x90/16. Буи.шгоч.* I. Пвч.офс. Усл. печ.л. 1,0. Усл.кр.-отт. 1,0. Уч.-нзд.л. 0,9. Тара* ШОакз. 3ак.304.

Институт сверхтвердые материалов АН Украины

254153 Киев-153, ул.Автозаводская, 2. Рогалршнг ИСМ Ail Украины