10. Алмазные долота.

Алмазные долота, подобно лопастным долотам, не имеют самостоятельно движущихся частей. Долото состоит из стального корпуса 1, в котором нарезана присоединительная резьба, и твердосплавной матрицы 2 (рис. 15.3). Корпус и матрица соединяются в процессе спекания шихты. Алмазосодержащие элементы выполнены в виде секторов, разделенных канавками для прохода промывочной жидкости. Цилиндрическая поверхность 3 сектора, калибрующая стенку скважины, плавно переходит в наружную поверхность 4 и внутреннюю коническую поверхность 5, разрушающие забой.

Рис. 15.3. Алмазные долота

Алмаз – это минерал, представляющий собой модификацию углерода. Размеры естественных кристаллов алмаза – от микроскопических до 3000 карат. Кристаллическая структура этого минерала отличается плотной упаковкой, что обусловливает высокую плотность (3,5 г/см³) и твердость алмаза. Микротвердость алмаза в 6 раз выше, а модуль Юнга в 2 раза выше, чем твердого сплава. Благодаря этим свойствам алмаз имеет исключительно высокую износостойкость при трении скольжения. При температуре 1850^оС в вакууме алмаз превращается в графит, а на воздухе при 600^оС окисляется и сгорает.

Основным сырьем для изготовления буровых долот являются технические алмазы. На рабочих поверхностях буровых долот алмазы крепят способом порошковой металлургии. Алмазы раскладывают в пресс-форме вместе с порошкообразной шихтой, запрессовывают в корпус долота, а затем спекают в защитной среде.

Зерна алмазов размером 2–3 мм могут располагаться только в поверхностном слое матрицы. Зерна алмазов выступают над матрицей примерно на 1/5 от их диаметра. Такие долота называют однослойными. При использовании мелких зерен алмазы размещают в объеме шихты равномерно. В этом варианте поверхностный слой матрицы толщиной до 6 мм равномерно насыщен алмазами. Такие долота называют импрегнированными.

Алмазные зерна незначительно выступают из матрицы и разрушают породу микрорезанием и истиранием. Внедрение алмазов в породу достигает своего предельного значения при относительно небольших нагрузках, поэтому увеличение нагрузки на долото не увеличивает эффективность разрушения породы, а лишь увеличивает работу сил трения, износ матрицы и частоту выпадения алмазов. Кроме того, при больших нагрузках повышается опасность перегрева алмазов и их графитизации. В таких случаях большую роль играет охлаждение рабочих поверхностей долота.

Опасность перегрузок не позволяет использовать алмазные долота для расширения ствола скважины. Некруглое сечение скважины, образованное не алмазными долотами, затрудняет свободное прохождение алмазного долота по стволу. Поэтому диаметр алмазного долота меньше диаметра соответствующего не алмазного долота. Например, не алмазному долоту диаметром 190,5 мм соответствует алмазное долото диаметром 188 мм.

Алмазные долота предназначены для бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин при прохождении песчаников, доломитов, известняков и других пород, для которых эффективность применения шарошечных долот резко снижается. Правильное применение этих долот обеспечивает высокие рейсовые скорости бурения, сокращение числа СПО и снижение кривизны при проводке вертикальных скважин.

Особенность показателей работы алмазных долот – низкая механическая скорость проходки, не превышающая 0,5–1,5 м/ч. Однако проходка на долото в 10–100 раз превышает проходку на обычные долота. Поэтому алмазные долота целесообразно применять при глубине бурения более 2500 м, когда можно экономить время на сокращении СПО.

Алмазные долота при турбинном бурении по сравнению с роторным бурением дают более высокую механическую скорость при одинаковой величине проходки на долото. Бурение алмазными долотами может продолжаться без перерыва до 200 и более часов. Перед началом бурения алмазными долотами ствол скважины калибруется, а забой очищается от металла специальным шламоуловителем, который обеспечивает скорость восходящего потока промывочной жидкости до 5 м/с. При такой скорости с забоя будут подняты даже обломки твердого сплава. Выше скорость восходящего потока резко падает, при этом крупный шлам и металлические обломки выпадают в шламоуловитель. Алмазное долото считается полностью отработанным при общей потере 40% алмазов. Признаки выхода из строя долота – снижение скорости проходки и увеличение давления в напорной линии насоса.

Стоимость алмазных долот зависит от качества и количества алмазов, пошедших на изготовление одного долота, и на порядок превышает стоимость долот ИР-действия.

На основе поликристаллических алмазов, которые не имеют анизотропии свойств, созданы высокоэффективные элементы вооружения для режуще-скалывающих и истирающе-режущих буровых долот. Основу элемента вооружения составляют алмазно-твердосплавные диски, получившие название стратапакс. Диаметр дисков 13 мм, толщина – до 13 мм, нанесенный слой поликристаллических алмазов имеет толщину до 0,7 мм. Диски диффузионной сваркой крепятся к твердосплавной опоре. В результате получается элемент вооружения, который запрессовывается в отверстия стального корпуса долота. Долота стратапакс предназначены для разбуривания мягких и средней твердости горных пород. Для обеспечения высокой работоспособности необходимо, чтобы угол наклона пластинок к вертикали был не менее 20 градусов (рис. 15.4). Большие размеры резцов позволяют обеспечить их выступ над корпусом долота до 15 мм. При этом создаются хорошие условия для удаления шлама из зоны разрушения.

Рис. 15.4. Схема работы алмазно-твердосплавного элемента вооружения:

1 – поликристаллические алмазы; 2 – твердый сплав; 3 – твердосплавная опора; 4 – корпус долота; 5 – забой скважины

Долота с пластинами стратапакс – это высокоэффективный инструмент. При роторном бурении и бурении винтовыми забойными двигателями долота этого типа по сравнению с шарошечными долотами увеличивают механическую скорость проходки в 2 раза, проходку на долото в 3…7 раз при сопоставимом крутящем моменте.

Долота с вооружением из алмазов выпускаются типов М, С и СТ. Общей в шифре для всех типов алмазных долот является первая буква Д. Например, ДИ-188,9С, где буква И означает, что долото импрегнированное. В шифре ДР-188СТ буква Р означает, что долото имеет радиальное расположение канавок.