УДК 622.243.3:548.4

Горшков Л.К., Яковлев А.А., Буканов А.А., Осецкий А.И.

Механические и температурные напряжения и аномальный износ алмазных буровых инструментов

Санкт-Петербургский государственный горный институт

Российская буровая компания, Москва

ОАО «Полиметалл», Санкт Петербург

При разнообразии факторов и видов напряжений, имеющих место в буровых алмазах, определяющее значение имеют температурные и механические напряжения, характеризующие напряженно-деформационное состояние и, в конечном счете, работоспособность алмазного инструмента. Показаны пути совершенствования конструкций коронок и способы предупреждения их аномального износа.

При разрушении горных пород в процессе бурения алмазные резцы испытывают следующие напряжения: механические сжимающие от действия осевой нагрузки; механические изгибающие от действия тангенциального усилия; температурные, возникающие из-за перепада температур нагрева работающих алмазов и очистного агента.

Если первые два вида напряжений зависят только от нормальной и тангенциальной нагрузок и размеров алмазов, то на величину температурных напряжений, кроме того, оказывают свое влияние и величина забойной мощности, от которой зависит уровень контактной температуры, а также физико-механические свойства самих алмазов (модуль упругости, коэффициенты Пуассона и линейного расширения).

Забойная мощность определяет величину перепада между температурами на поверхности работающего алмаза и омывающего его очистного агента [1]:

,

где t_a - температура режущей грани алмаза, ◦С; t₀ - температура очистного агента, °С; - коэффициент нагрева коронки, для средних условий = 0,9 [2]; - показатель интенсивности теплообмена коронки с очистным агентом, Вт/°С; N - забойная мощность, кВт.

Показатель зависит от конструкции коронки и расхода очистного агента.

Сжимающие напряжения от нормальной нагрузки:

,

где - нормальная нагрузка на единичное зерно алмаза, Н; - площадь контакта единичного зерна с забоем скважины, м².

Изгибающие напряжения:

,

где - тангенциальное усилие на единичное зерно, Н; - высота обнажения алмаза над поверхностью матрицы, м; d_м - диаметр сечения выступающего алмазного зерна на уровне матрицы, м.

Нормальную нагрузку на единичное зерно можно определить как отношение общей осевой нагрузки на коронку к числу контактирующих с забоем алмазов:

,

где С - нагрузка на коронку, Н; z_к - число контактирующих с забоем зерен.

Тангенциальное усилие

.

Расчет напряжений показал, что для коронок диаметром 59 мм, наиболее широко применяемых при бурении пород высших категорий по буримости, сжимающие напряжения изменяются в пределах 55,2÷248,2 МПа, а изгибающие - 2,2÷10,0 МПа (табл.1). Наибольшие температурные напряжения в алмазах имеют место на их поверхностях, в зоне соприкосновения с очистным агентом:

,

где E - модуль упругости при растяжении-сжатии (модуль Юнга), МПа; - коэффициент Пуассона (для алмазов =0,3); - средняя по объему алмаза «безразмерная» температура (средний температурный критерий); - температурный критерий для поверхности алмаза.

Таблица 1

Расчет сжимающих и изгибающих напряжений в объемных алмазах коронок диаметром 59 мм

Катего- рия пород по буримости	Тип коронок	Зернис-тость объем-ных ал-мазов, шт/кар	Масса объем-ных ал-мазов, кар	Число контактов	Осевая нагрузка, Н	, Н	, Н	, МПа	, МПа
VII-VIII	05АЗ	20-30	6,0	100	6000	60	23	55,2	2,2
VIII-IX	01АЗ	30-40	5,3	124	8000	65	25	74,7	3,1
VIII-IX	01АЗ	40-60	3,9	130	7000	54	21	78,7	3,2
IX-X	01МЗ	60-90	7,2	120	9000	75	29	107,0	5,8
X-XII	02ИЗ	120-150	8,8	163	11000	67	26	189,9	7,5
X-XII	02ИЗ	150-400	8,8	222	12000	54	21	248,2	10,0

В общем виде температурный критерий для алмазного зерна

,

где t - текущая абсолютная температура в объеме алмаза, зависящая от времени прогрева и значения текущего радиуса, °С.

Величины и (табл. 2) определяются в зависимости от значений критериев Био и Фурье , где α - коэффициент теплоотдачи в зоне коронки при конвективном теплообмене с очистным агентом, Вт/(м²∙°С); - теплопроводность алмаза, Вт/(м²∙°С); R - средний радиус алмаза, м; - температуропроводность алмаза (=2,22∙10^-4 м²/с); - время теплового импульса, т.е. развития температурной деформации (для условий работы алмаза на забое скважины время теплового импульса можно принять = 1∙10^-2 с).

Таблица 2

Температурные критерии и для алмазов различной зернистости

Зернистость алмазов, шт/кар	, м	В	Т	В^2Т
20-30	0,816	0,138	3,39	0,065	0,75	0,60
30-40	0,730	0,124	4,20	0,065	0,77	0,64
40-60	0,648	0,110	5,31	0,065	0,80	0,68
60-90	0,566	0,097	6,94	0,065	0,83	0,72
120-150	0,466	0,080	10,22	0,065	0,86	0,78
150-400	0,067	0,063	16,48	0,065	0,92	0,87

Расчет температурных критериев (см. табл.2) показал, что , поэтому полученные температурные напряжения (табл.3) на поверхности алмазных зерен имеют отрицательный знак, т.е. температурные напряжения являются сжимающими, приуроченными к тыльной сжатой части зерна.

Из табл. 3 следует, что для крупных алмазов зернистостью 20-90 шт/кар разрушающие напряжения возникают при нагреве от 300 до 600°С, соответственно, тогда как более мелкие алмазы (120-400 шт./кар) выдерживают нагрев до 700-1000°С без нарушения целостности (рис.1). Однако при таком нагреве алмаз все же теряет в прочности, что становится причиной появления зашлифований (пластических деформаций) рабочих граней.

Пределы прочности для алмазов в табл. 3 определялись из соответствия условию , где - временное сопротивление алмаза на сжатие, МПа; m₃ - коэффициент запаса. Для условий работы буровых алмазов - переменные по величине и во времени статическая и динамическая нагрузки, импульсивный нагрев - коэффициент запаса m₃ при определении допустимого напряжения на сжатие, исходя из принятых норм, равен 4.

Изменение временного сопротивления алмаза на сжатие в зависимости от температуры нагрева (см. табл.3) определено в соответствии с законом изменения микротвердости алмазов при росте температуры [3].

Таблица 3

Температурные напряжения на поверхности буровых алмазов различной зернистости от степени их нагрева (температура очистного агента =10^оС)

Зернистость алмазов, шт./кар	, МПа	, МПа	Температурные напряжения (МПа) при температурах нагрева алмазов (◦С)
			200	300	400	600	800	1000	1200
20-30	900	225
30-40	1400	350
40-60	2200	500
60-90	2700	675
120-150	3100	775
150-400	3500	875

Примечание: Числитель – абсолютное значение температурного напряжения; знаменатель – предел прочности на сжатие при данной температуре. Выше отмеченной границы – разрушающие напряжения; ниже – неразрушающие.

В связи с этим представляется целесообразным определить уровни температур нагрева и температурных напряжений в объемных алмазах серийных коронок при бурении в различных группах пород на режимных параметрах, рекомендуемых ВИТРом [4], в частности, на примере коронок, приведенных в табл.4, откуда следует, что при бурении относительно слабых пород (VII-VIII категорий по буримости) температурные напряжения в крупных алмазах (20-30 шт./кар) близки к значениям напряжений сжатия (см. табл.3) и составляют около 1/3 значения предела прочности на сжатие.

Таблица 4

Расчет температур нагрева и температурных напряжений

в буровых алмазах серийных коронок диаметром 59 мм

Категория пород по буримости	Тип коронок	Зернистость объемных алмазов, шт/кар	С, даН	n, мин^-1	N, кВт		, МПа
VII-VIII	05АЗ	20-30	600	400	2,42	161	71
VIII-IX	01АЗ	30-40	800	600	4,85	307	190
VIII-IX	01АЗ	40-60	700	500	3,54	262	141
IX-X	01МЗ	60-90	900	600	5,45	416	265
X-XII	02ИЗ	120-150	1100	800	8,98	870	456
X-XII	02ИЗ	150-400	1200	900	10,90	907	321

Примечание: n – частота вращения бурового снаряда.

При бурении более крепких пород (даже коронками с мелкими объемными алмазами) температурные напряжения значительно превышают напряжения сжатия и, особенно, изгиба.

В случае использования алмазов зернистостью 30-40 и 40-60 шт./кар при бурении пород VIII-IX категорий по буримости температурные напряжения составляют 1/3-1/2 значения предела прочности. Для объемных алмазов зернистостью в пределах 60-400 шт./кар температурные напряжения могут практически достигать предела допускаемых напряжений или приближаться к нему. Очевидно, что в указанных пределах находится и вероятность достижения разрушающих напряжений. В породах VII-VIII категорий по буримости эта вероятность не превышает одной трети, следовательно, такова и доля объема алмазного бурения, где необходимо учитывать действие температурного фактора. При бурении в породах VIII-IX категорий по буримости эта доля колеблется в пределах 1/3-1/2, а в породах высших категорий - приближается к 1, т.е. в 100% объема алмазного бурения, что становится одной из причин аномального износа алмазных коронок.

Рис.1. Влияние температур нагрева t на сжимающие напряжения на поверхности алмазов при бурении пород VII-X (а) и X-XII (б) категорий по буримости: 1¸6 - зернистость алмазов, шт/кар (1 - 30¸20, 2 - 40¸30, 3 - 60¸40,

4 - 90¸60, 5 - 150¸120, 6 - 40¸150); 7, 8 – линии дрейфа значений предела прочности на сжатие (без учета 7 и с учетом 8 изменения твердости алмаза при нагреве)

В целом же механизм образования аномальных форм износа алмазов и матриц буровых коронок обусловлен действием ряда взаимосвязанных причинных факторов: геологических, технологических, технических, а также факторов, определяемых технологией изготовления алмазного инструмента.

Аномальный износ алмазных буровых коронок является одной из основных причин преждевременного снятия их с работы при неиспользованном полностью ресурсе. Исследованиями причин образования этого негативного явления и разработке рекомендаций по борьбе с ним занимались и занимаются в настоящее время многие ученые. В их многочисленных исследованиях отражены главные проблемы исследуемого вопроса и рассмотрены основные направления в разработке рекомендаций по снижению частоты и интенсивности его образования с целью повышения работоспособности коронок. Анализ выполненных исследований свидетельствует о неоднозначности, а в отдельных случаях и о противоречивости рекомендаций, направленных на борьбу с аномальным износом. В основном это относится к определению наиболее распространенных видов аномального износа, механизму износа алмазов и матрицы коронок, характеру изменения формы профиля, оценке влияния структурных и текстурных особенностей горных пород, параметров режима бурения и взаимосвязанности многих причинных факторов аномального износа.

Проведенные исследования позволили определить объект изучения в следующей форме: аномальный износ - это остаточное, локальное изменение формы породоразрушающей поверхности алмазных коронок, являющееся причиной снижения их работоспособности.

Главным направлением развития аномального износа являются радиальное и перпендикулярное к нему (тангенциальное), основными же зонами локализации – периферийные и центральные участки матриц коронок, а также набегающие кромки секторов [1, 2]. Наиболее типичными формами аномального износа являются кольцевые канавки по торцу, которые образуются вследствие различной интенсивности износа в радиальном направлении. Различная интенсивность износа объясняется наличием участков с различиями в износостойкости породоразрушающей поверхности и механизме ее износа в рассматриваемых направлениях, которые обусловлены, главным образом, качеством изготовления коронок и неоднородностью условий изнашивания.

К числу основных причинных факторов, определяющих неравномерную износостойкость, относятся недостатки входного контроля качества алмазного сырья (стабильность прочностных характеристик, формы, размеры, морфологии, структуры, температурной стойкости) и порошковых материалов; недостатки в обеспечении заданных схемы раскладки алмазов, величины их выпуска из матрицы, значения концентрации и недостаточно обоснованный выбор формы пуансонов при прессовании, формы замкового соединения матрица-корпус, способы прессования и их параметров; ненадежный контроль равномерности прогрева матрицы при спекании и отбраковки коронок с недопустимым торцевым и радиальным биением.

Неоднородность условий изнашивания на породоразрушающей поверхности обусловлена несколькими группами причинных факторов:

- технических: неравномерное распределение температуры, нормальных и тангенциальных напряжений по резцу; различия в линейных скоростях перемещения участков режущей поверхности коронок; различия в величинах пути перемещения (трения) и объема разрушаемой на забое породы;

- эксплуатационных: изменение кинематики движения коронок; уровня нормальных и касательных напряжений, зависящих от величины отношения осевой нагрузки к угловой частоте вращения коронки; колебательные процессы в призабойной зоне, в буровом снаряде, в том числе и в колонне бурильных труб; нарушение технологии бурения и т.п.;

- геологических и физико-механических: неоднородности структур и текстур буримых горных пород забоя скважины; их трещиноватость; перемежаемость по твердости; различия по теплофизическим характеристикам.

В результате комбинированного и практически одновременного действия рассмотренных факторов образуются формы аномального износа; причем одинаковые внешне формы аномального износа могут быть образованы различными взаимозависимыми факторами. В этом заключается сложность диагностирования механизма образования морфологических видов аномального износа. Особый практический интерес представляют те формы аномального износа, которые связаны с производством коронок (проектирование, изготовление), то есть по существу генетические формы аномального износа. Существующие способы диагностики аномального износа основаны либо на изучении и систематизации предельных форм износа коронок, либо на изучении раздельно качественных и количественных факторов, что не всегда позволяет достоверно выявить причины аномального износа.

Исследование продольных и поперечных динамических профилограмм износа алмазных коронок позволило провести типизацию форм аномального износа на основе введения понятия о приращении величины износа как функции радиуса матрицы – , где , – соответственно внутренний и наружный радиусы матрицы. Эта функция имеет параболический характер и включает в себя основные комбинации и :

где и - соответственно значения расстояний от окружностей внутреннего и наружного радиусов матрицы до точки пересечения линии минимального износа с осью ; и - значения износа в зонах, соответствующих значениям и , при этом .

При проведении указанного выше исследования [5] установлено, что кольцевые канавки образуются постепенно практически с первых метров бурения. Их фазовые изменения, эволюция могут быть условно разделены на три этапа, отличающиеся друг от друга величиной интенсивности износа и мощностью (протяженность в направлении углубки), причем отмечена зависимость между забойной мощностью и стадиями образования аномального износа. Интенсивность развития аномального износа пропорциональна размеру сектора в радиальном и перпендикулярном к ним направлениям, а его тип во многом зависит от формы профиля коронок, ширины матрицы и соотношения параметров режима бурения.

В однослойных коронках фазовые изменения в основном количественные, а в импрегнированных коронках наблюдается изменение формы и периодичности функций , что обусловлено чередованием впадин и выступов при износе матрицы в радиальном направлении.

Генетически форма аномального износа алмазных коронок зависит от характера распределения контактных давлений в призабойной зоне, обусловленного действием технологических и конструктивных факторов.

На основании изучения, обобщения и анализа поверхностных нарушений на алмазах и матрице, а также эволюции топографии микро- и макрорельефа на всех стадиях их развития были установлены основные типы механизма наноса матрицы и алмазов, составлены соответствующие классификации. Результаты исследований позволяют констатировать, что износ алмазов и матрицы являются органически взаимозависимыми процессами и должны рассматриваться только с позиции единства системы алмаз - матрица, именуемой породоразрушающей поверхностью, которая является источником информации о процессах, протекающих в контактной зоне. Установлено, что имеются качественные различия в механизме износа алмазов, разноудаленных от оси вращения коронки, отмечено существенное влияние на аномальный износ неравномерности распределения температур в зоне контакта. Образованию кольцевых канавок предшествуют или способствуют скол, выпадение, выкрашивание алмазов, т.е. факторы, обусловленные прочностью алмазов и качеством удержания их в матрице. При этом буровые алмазы испытывают периодические перегрузки, и характер распределения контактных давлений является неравномерным и зависящим от геологических, эксплуатационных и технических факторов.

Результаты исследований [1, 5] подтверждают, что многие серийные коронки, начиная с коронок типов 02И3, 02И4, у которых теоретически износостойкость матриц одинакова для всех зон породоразрушающей поверхности, при изменении контактных давлений и скоростей перемещения испытывают, тем не менее, неравномерный износ при работе на забое. Из этого следует, что аномальный износ должен рассматриваться не с позиций исключительного явления (аномального), а с позиции объективных закономерностей износа.

Диагностика и анализ характера аномального износа алмазов и матриц буровых коронок обеспечивают основу для разработки путей совершенствования проектирования и эксплуатации алмазного инструмента в конкретных геолого-технических условиях: изменение геометрии режущей части коронок, разработка композиций матриц с заданными свойствами, изменение схемы армирования коронок алмазами, выбор оптимальных режимов отработки коронок, создание методики и технических средств для контроля износа алмазных коронок.

Общая методология практической реализации установленных зависимостей заключается в следующем. С помощью динамического профилометрирования выявляются локализация, форма и фазы развития тех или иных типов аномального износа, одновременно на основе разработанных методов качественного исследования определяется доминирующий механизм образования аномального износа. Стратегия совершенствования конструкций коронок при этом следующая: изнашиваемость породоразрушающей поверхности должна быть спроектирована в соответствии с формой, степенью и локализацией аномального износа, а способы управления скоростью износа выбираются в зависимости от вида механизма износа.

Тактических решений этого вопроса может быть много, но из числа главных можно выделить два направления. Во-первых, это традиционный и распространенный принцип разработки коронок с равноизнашиваемой породоразрушающей поверхностью. С использованием этого принципа были введены коррективы в способ изготовления коронок типа А4ДП, И4ДН, КИТ: в матрицах выполнено усиление периферийных участков путем изменения формы профиля, замкового соединения, схемы раскладки алмазов. Снижение частоты появления аномального износа по этим коронкам, в сравнении с базовыми, составило 16, 13, 18 % соответственно.

С целью улучшения условий разрушения горных пород в угловых участках забоя и тем самым улучшения условий работы периферийных участков матрицы был разработан класс коронок типа КРК, отличающийся ступенчатой формой профиля и уменьшенной контактной поверхностью с забоем, а также смещением скважинообразующих и кернообразующих участков относительно центральных. Это позволило резко снизить частоту образования кольцевых канавок (на 25 %).

В качестве второго тактического направления по совершенствованию алмазных коронок может быть предложено альтернативное к рассмотренному решение, предусматривающее разработку коронок, закон изнашивания породоразрушающей поверхности которых принят неравномерным, но заданным в процессах проектирования и изготовления по определенной, основанной на учете закономерностей аномального износа, схеме.

Литература:

1. Горшков Л.К., Гореликов В.Г. Температурные режимы алмазного бурения. – М.: Недра, 1992.

2. Горшков Л.К. Температурные напряжения в буровых алмазах // Изв. Вузов. Горный журнал, 1984, № 11.- С. 49-53.

3. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1982.

4. Инструктивные указания по алмазному бурению геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые / В.И. Васильев, Г.А. Блинов, В.П. Онищин и др. – Л.: ВИТР, 1987.

5. Быченков Е.И. Особенности износа алмазов в коронках при бурении скважин. В сб.: Методика и техника разведки, № 102.- Л.: ВИТР, 1977.- С. 59-77.