Направления и методы повышения износостойкости и создания высокоресурсного бурового инструмента

Разработка методов повышения износостойкости бурового инструмента является актуальным и многоплановым направлением развития буровых технологий, основной задачей является создание производительного и высокоресурсного бурового инструмента.

Ресурс (франц. ressources) – средства, запасы, возможности, источники чего-либо, в данном случае – интервал времени, предусмотренный паспортными данными на техническое средство или инструмент, в течение которого использование технического средства по назначению в соответствии с техническими условиями гарантирует получение положительного результата, поскольку обеспечено запасом работоспособного состояния техники.

Ресурс бурового инструмента может определяться длиной интервала или временем бурения при достижении определенной механической скорости.

Ресурс бурового инструмента определяется сохранением вооружения: геометрической формы, параметров приострения резцов, диаметра инструмента на определенном этапе породоразрушающего воздействия. Для шарошечных долот ресурс определяется и сохранением работоспособности опор вращения (подшипников) шарошек. Чем длительнее будет этот этап, тем выше эффективный ресурс бурового инструмента.

Эффективный ресурс бурового инструментаопределяется длительностью этапа породоразрушающего воздействия, при котором достигается максимальная и близкая к ней механическая скорость бурения.

В то же время, очевидно, что если происходит механическое разрушение породы, то ресурс инструмента объективно ограничен, так как процесс механического разрушения является всегда двусторонним, т.е. если разрушается и изнашивается порода, то будет изнашиваться и разрушаться сам буровой инструмент.

Таким образом, любой породоразрушающий инструмент, предназначенный для разрушения породы одним из механических способов, не может иметь неограниченный ресурс и быть абсолютно универсальным по породоразрушающему действию.

Поэтому разработка инструмента в направлении совершенной высокоресурсной, универсальной и производительной системы связано с переходом на микроуровень с заменой полей механических напряжений, под действием которых происходит разрушение породы, на поля иной природы. Например, тепловое поле, которое может обеспечить плавление породы, электромагнитное поле для дробления пород при реализации электроимпульсного бурения, поле плазмы, силовое и температурное поля светового лазерного импульса и др.

Такие инструменты могут быть универсальны (при корректировке параметров управления), иметь неограниченный ресурс и высокую производительность.

По оценкам специалистов, на пути к реализации подобных инструментов и технологий рациональным промежуточным этапом развития может быть комбинирование механического разрушения пород резанием, скалыванием или дроблением с термическим или электротермическим разрушением. В данном случае интенсификация разрушения достигается за счет наложения поля механических напряжений и температурного поля.

При механическом разрушении пород ресурс инструмента напрямую определяется его износостойкостью.

Основными направлениями повышения износостойкости инструмента, повышающими его эффективный ресурс, являются:

- разработка высокопрочных, повышенной сопротивляемости к динамическим нагрузкам и терморазупрочняющему воздействию твердых и сверхтвердых материалов, таких как сплавы типа ВК или пластины с поликристаллическими алмазами PDC;

- защита изнашиваемых поверхностей корпуса и вооружения долот наплавляемыми твердыми сплавами и поликристаллическим алмазным покрытием;

- разработка долговечных, в условиях высокого гидростатического давления и абразивного воздействия, опор шарошечных долот.

- повышение эффективности отвода тепла от бурового инструмента, прежде всего его породоразрушающих элементов;

- повышение прочности резцов и корпусов бурового инструмента методами поверхностного и объемного упрочнения;

- снижение динамических нагрузок на буровой инструмент, возникающих при вибрации буровой компоновки и самого инструмента вследствие разрушения неоднородных и трещиноватых пород;

- создание инструментов с формами торца и схемами вооружения, обеспечивающими равномерный износ рабочих породоразрушающих поверхностей (торцевой, боковых наружной и внутренней);

- создание инструментов с рабочими породоразрушающими поверхностями или резцами, обеспечивающими при изнашивании сохранение начальных геометрических параметров вооружения (эффект самозатачивания);

- создание инструментов, у которых осуществляется восстановление рабочих породоразрушающих поверхностей одновременно с разрушением породы.