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 разрушается несколько метров породы, 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, 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 для коронок с простым колонковым набором может составлять от 0,1 – 0,2 до 1,0 – 1,5, а в наиболее тяжелых случаях (породы ХII 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 ПАВ, проникающих 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, - 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 однослойнойых 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 (в некоторых старых работах он рекомендуется в зарубежных категорически запрещен). Механическая заточка заполированной коронки возможна после ее подъема на поверхность на торце вращающегося заточного круга, но очень осторожно, чтобы не повредить алмазы.

Четвертый вариант - восстановление 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. - 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 увеличительный оптический прибор. Разрушение коронки может произойти и при чрезмерной осевой нагрузке - коронку можно «раздавить». Разрушение коронки 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 скважиныВ приложении №1 приведены формы износа импрегнированных коронок для снарядов BOART LONGYEAR/

Отработка 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 (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 оставшаяся часть объемных алмазов. Поэтому отработанные алмазные коронки в обязательном порядке отправляют на завод на «рекуперацию», где с помощью электролиза или 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