VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

ПЛАН

1.Твердосплавные буровые инструменты……………………………………...4

2.Новые технологии твердосплавного бурового инструмента………………..9

3.Список источников……………………………………………………...…....15

ТВЕРДОСПЛАВНЫЕ БУРОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

При разведке и добыче полезных ископаемых, строительстве тоннелей и гидросооружений, а также инженерных изысканиях, разрушение горных пород производится, в основном, твердосплавным буровым инструментом. При этом следует выделить две области применения твердосплавного инструмента:

1)бурение шпуров и скважин;

2)разрушение пород горно-режущим инструментом с использованием комбайнов, врубовых машин и стругов;

Схема нагружения твердосплавных породоразрушающих элементов зависит от способа бурения. Наиболее распространенными на современном этапе развития техники являются способы: вращательный; ударноповоротный; ударно-вращательный; вращательно-ударный; шарошечный.

При вращательном бурении используются твердосплавные резцы, обычно двухлезвийные и кольцевые буровые коронки, оснащенные макро- или микрорезцами.

Разрушение пород осуществляется за счет сжатия, раздавливания и частично резания.

Рис.1 Твердосплавный резец.

.

При ударно-поворотном бурении используются долотчатые, трехперые и крестовые коронки, оснащенные призматическими и цилиндрическими твердосплавными изделиями с клиновым породоразрушающим лезвием,

Рис.2 Долотчатая коронка.

Рис.3 Трёхперая коронка. Рис.4 Крестовая коронка

штыревые коронки, оснащенные цилиндрическими твердосплавными изделиями с полусферической или конической породоразрушающей головкой,

Рис.5 Породоразрушающая головка.

а также цельные буры (моноблоки) с долотчатой или трехперой формой породоразрушающей головки.

Рис.6 Трёхперая породоразрушающая головка.

Разрушение породы происходит за счет ее уплотнения (образования ядра под лезвием) от ударных нагрузок с последующим образованием трещин, выходящих на поверхность забоя, и скалывания консольных плит.

В качестве энергоносителя при ударноповоротном бурении используется сжатый воздух под давлением.

Ударно-вращательное бурение отличается от ударно-поворотного тем, что вращение инструмента осуществляется постоянно электрическим, пневматическим или гидравлическим двигателем.

При этом способе бурения применяется более мощное оборудование: пневматические или гидравлические перфораторы.

Рис.7

В ударно-вращательном способе следует выделить две разновидности: с выносными перфораторами; погруженными пневмо- или гидроударниками.

В первом случае энергия удара к породоразрушающему лезвию и вращение коронки от вращателя перфоратора к породоразрушающему лезвию передается через став штанг. В качестве породоразрушающего инструмента используются крестовые, Х-образные и штыревые твердосплавные коронки, в основном, с резьбовым соединением со штангой. Крестовые и Х-образные коронки оснащаются призматическими или цилиндрическими твердосплавными изделиями с клиновым породоразрушающим элементом. Штыревые коронки оснащаются цилиндрическими штырями с полусферической или баллистической формой породоразрушающей головки.

Во втором случае ударный механизм постоянно находится у забоя скважины, а вращатель - на поверхности. В качестве породоразрушающего инструмента используются опережающие крестовые, Х-образные, трехперые с опережающим лезвием и штыревые коронки, которые оснащаются либо призматическими твердосплавными пластинами с клиновым лезвием, либо цилиндрическими штырями с полусферической головкой. Механизм разрушения горной породы при ударно-вращательном бурении аналогичен механизму разрушения породы при ударно-поворотном бурении.

Вращательно-ударный способ отличается от ударно-вращательного режимами силового нагружения. Ударные нагрузки у него в несколько раз ниже, но в 2-3 раза больше осевое усилие и крутящий момент.

В качестве породоразрушающего бурового оборудования используются коронки, оснащенные призматическими и цилиндрическими твердосплавными изделиями с ассиметричным лезвием. При вращательно-ударном способе разрушение породы происходит как за счет ударных нагрузок, так и частично резания.

При шарошечном бурении в качестве породоразрушающего инструмента используются шарошечные долота. Буровой станок, создавая давление на шарошечное долото вдоль его оси, одновременно с этим производит вращение штанги и шарошечного долота

Шарошки опираются на забой скважины и вместе с долотом вращаются вокруг ее оси. При этом под большим осевым давлением зубки, находящиеся на конусной поверхности шарошек, внедряются в породу забоя скважины и разрушают ее. Шарошки оснащаются цилиндрическими зубками, в основном, с клиновой или полусферической головкой. Для выемочных комбайнов и врубовых машин используются радиальные, радиально-торцевые, тангенциальные и вращающиеся резцы, а для стругов резцы и ножи.

Для оснащения бурового и горнорежущего инструмента применяются твердые сплавы группы ВК.

Технические требования определены ГОСТ 4411, установлены требования по выкрашиванию, выпуклости и вогнутости подлежащих пайке поверхностей изделий, макроструктуре и микроструктуре. Кроме того определены правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение. В ГОСТ 880 определены формы и размеры твердосплавных изделий для горного инструмента. Размеры с предельными отклонениями определены ГОСТ по каждому номеру формы изделий.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТВЕРДО-СПЛАВНОГО БУРОВОГО ИСТРУМЕНТА

Алмазный породоразрушающий интрумент.

1.Свойства алмазов, применяемых при бурении

Для оснащения буровых коронок, долот и расширителей применяют природные и синтетические алмазы. Их эксплуатационные свойства при бурении скважин условно называют «буровыми» свойствами. Буровые свойства оценивают по ресурсу инструмента, механической скорости бурения и удельному расходу алмазов на 1 м скважины.

2.Выбор алмазов

Правильный выбор качества алмазов, используемых для армирования матрицы, существенно влияет на работоспособность алмазного породоразрушающего инструмента.

3.Конструктивные особенности алмазных коронок

Алмазная коронка состоит из алмазосодержащей матрицы 1 и стального корпуса 2 с нарезанной резьбой.

4.Техническая характеристика и области применения алмазных коронок

Тип алмазных буровых коронок, предназначенных для вращательного бурения геологоразведочных скважин кольцевым забоем с отбором керна и бескернового бурения, и алмазных буровых расширителей, предназначенных для предотвращения уменьшения диаметра скважин в процессе бурения, определяется номером конструкции, индексом, указывающим расположение алмазных слоев, и индексом износостойкости (твердости) матрицы.

5.Алмазный породоразрушающий инструмент для бурения со съемным керноприемником типа ССК

Разработка конструкций коронок для ССК, как и коронок других назначений (бурение одинарными и двойными колонковыми трубами), проведена комплектно, т. е. с охватом практически всех областей применения алмазного бурения в современной геологоразведочной практике: комплексы твердых пород и пород средней твердости, перемежающихся по твердости и буримости и т. д.

Рис.8 Одинарные и двойные еолонковые трубы.

6.Алмазные долота

Алмазные долота 08АЗ, 09АЗ и 08ИЗ состоят из стального корпуса с резьбой для соединения с колонковой трубой и алмазосодержащей матрицы, которая приваривается к корпусу в процессе пропитки. В центральной части долота имеется отверстие, стенки которого армированы подрезными алмазами, обеспечивающими обработку керна. С обеих сторон от центрального отверстия имеются два промывочных отверстия, соединенных с промывочными каналами

.Рис.9 Алмазные долота.

7.Алмазные расширители

Породоразрушающий инструмент, предназначенный для калибровки и расширения ствола скважины, называется расширителем. Рис.10 Алмазные расширители.

8.Синтетические сверхтвердые материалы

Одно из перспективных направлений совершенствования буровых коронок - использование в качестве режущих элементов синтетических сверхтвердых материалов.

9.Породоразрушающий инструмент из синтетических алмазов и сверхтвердых материалов

Коронки, армированные искусственно созданными сверхтвердыми режущими материалами, находятся на разных стадиях выпуска: от опытных образцов до серийного производства. Ниже кратко описаны наиболее эффективные конструкции. Коронки типа КСК

Коронки типа КСК, армированные алмазами АСПК, позволяют бурить с высокими технико-экономическими показателями в разрезах, представленных горными породами различной твердости и абразивности с частой перемежаемостью. С учетом требований обеспечения механических скоростей на уровне твердосплавных коронок и проходок на коронку на уровне алмазных, а также с учетом возможностей буровых установок по созданию осевых нагрузок на буровые коронки установлено, что максимальное число торцевых режущих элементов из цилиндрических алмазов АСПК диаметром 4,5 мм составляет 20 - 24.

Алмазные коронки конструкции ИСМ НАН Украины. Особенностью коронок ИСМ является использование термостойких монокристаллических алмазов марки АС-125Т и АС-160Т в объемном слое; штабиков славутича в качестве подрезных элементов, а также в объемном слое (в центральной части торца). Техническая характеристика коронок дана в таблице 1.

 

Таблица 1

Техническая характеристика алмазных коронок конструкции ИСМ, армированных синтетическими монокристаллическими алмазами (по Л. А. Бугаеву и др.)

 

Примечание: 1. Твердость матрицы коронок HRC 22-32. 2. Синтетические алмазы марки АС по ГОСТ 9206 - 80.

Опыт эксплуатации этих коронок показывает, что эффективное бурение ими обеспечивается при частоте вращения не менее 450-500 мин-1 и осевых нагрузках на 20-30% меньше, чем при работе серийными коронками с природными алмазами.Рекомендуемые режимы бурения коронками конструкции ИСМ приведены в табл.2Изменение нагрузок в указанных пределах необходимо для поддержания режущей способности коронки; нагрузку следует понижать при обнажении алмазов и высокой механической скорости бурения (свыше 4 м/ч) и, наоборот, ее следует увеличивать при зашлифовке торца коронки и падении механической скорости.

Таблица 2. Рекомендуемые режимы бурения коронками конструкции ИСМ

Наружный диаметр, мм	Частота вращения, мин-1	Осевая нагрузка, кН	Расход промывочной жидкости, л/мин
36	800 - 2400	2 - 5	10 - 20
46	600 - 1900	2,5 - 5	15 - 25
59	470 -1500	4 - 11	25 - 75
76	350 - 1150	10 - 15	40 - 100
93	300 - 950	10 - 18	60 - 100

Коронки врубового типа

ВИТРом разработаны буровые коронки нового поколения врубового типа для одинарных колонковых снарядов и комплексов со съемными керноприемниками, оснащаемые синтетическими поликристаллическими алмазами.

Особенностью коронок врубового типа является чередование врубовых и скважинно-кернообразующих секторов. При этом врубовые секторы превышают по высоте скважинно-кернообразующие сектора и образуют опережающий кольцевой забой (вруб). Общая площадь торца врубовой коронки, находящейся в контакте с горной породой, в 1,25-1,3 раза меньше соответствующей площади торца обычной коронки. Соответственно за счет этого возрастают удельные контактные нагрузки и механическая скорость бурения (в 1,3-1,5 раза).По сравнению с твердосплавными типа СМ-4 и СА врубовые коронки обеспечивают рост ресурса в 12-15 раз и механической скорости в 1,7-2,5 раза.Выпускаются коронки врубового типа ВИТРом под индексами KB, KPK, КСТМ диаметром от 59 до 151 мм (для одинарных колонковых снарядов) и КАСК-В (для комплексов ССК).

10.Электрохимическая размерная заточка алмазного инструмента

Из опыта бурения известно, что 15-20% всех отработанных коронок преждевременно снимаются с эксплуатации из-за зашлифования торца матрицы. В целях повышения эффективности использования такого алмазного инструмента необходимо применять электрохимическую заточку торца матрицы, которая позволяет поддерживать заданный выпуск алмазов в процессе бурения.

11.Криогенная обработка породоразрушающего инструмента

Влияние обработки жидким азотом на технико-экономические показатели работы алмазного породоразрушающего инструмента впервые было исследовано сотрудниками Томского политехнического института. В процессе исследований отмечено, что ресурс обработанных буровых коронок существенно увеличивается

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Баталов Н.М., Малявин Д.М. Технческие основы машиностроительного черчения. – М.: Магиз, 1962. 500 с.

2. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. «Буровое оборудование: Справочник»: В 2-х томах. Том 2. Буровой инструмент. 1986. 40 с.

3. Ильский А.П. “ Буровые машины и механизмы” – Киев 1991. 620 с.

4. Масленников И.К. “Инструмент для бурения скважин” – М.: Бурение скважин 2001. 340 с.

Код для цитирования: Скопировать