Бурение горных пород — сложный и трудоемкий процесс, эффективность которого во многом зависит от эксплуатационных возможностей используемого бурового инструмента. Не сложно догадаться, что основная механическая нагрузка в этом инструменте приходится на его главную рабочую часть — буровую коронку, которая непосредственно соприкасается с горными породами и разрушает их. Изготавливают коронки из наиболее прочных материалов. Опыт глубинного бурения свидетельствует о том, что армирование буровых коронок алмазами позволяет повысить производительность процесса в 1,5 — 2 раза по сравнению с бурением коронками из высокопрочных сплавов.
В настоящее время алмазное бурение используется в различных геологоразведочных работах, нефтегазовой и горнорудной промышленности. При этом применяются алмазы технического качества. Объем буровых работ достиг огромного размаха. Скважины бурят на все большую глубину. Нередки скважины глубиной до 3-5 километров. Еще глубже в недра Земли уходят скважины нефтяников и газовиков. Самые глубокие скважины необходимы для исследований земных глубин. Проектная глубина Кольской скважины 15 км! Таким образом, прочность и надежность буровых коронок приобретает решающее значение.
Алмазное бурение имеет перед твердосплавным ряд преимуществ: высокая производительность (скорость бурения в твердых породах в 2 — 3 раза выше), хорошая сохранность бурового оборудования, выдержанная по глубине цилиндрическая форма скважин, более низкие затраты на производство буровых работ. Особенно хорошо видны преимущества алмазных коронок при проходке скважин малого диаметра (95 мм). В этом случае стоимость буровых работ в 4 раза ниже стоимости бурения твердосплавными коронками.
При изготовлении буровых коронок используются мелкие алмазы — от 0,01 до 0,2 карата технического качества. Мелкие алмазы имеют много режущих граней. Поэтому чем тверже порода, тем эффективнее использование в коронках алмазов малых размеров. Чем выше прочность горных пород, тем больше алмазных зерен необходимо на один карат алмаза в буровой коронке. В мелкоалмазных коронках зерна распределены более часто и более равномерно. Такие коронки при бурении снимают более тонкий слой породы, и их эксплуатация возможна при большей частоте вращения бура. Напротив, при бурении мягких пород целесообразно снимать более толстый слой, поэтому выгоднее использовать коронки с более крупными алмазами.
При длительной эксплуатации буровых коронок алмазные зерна могут выпадать из гнезд и теряться. Для извлечения из скважины выпавших кристаллов используется еще одно свойство алмазов — способность прилипать к жирной поверхности. Для этого в скважину опускают заглушку, дно которой обмазывают жиром.
Таблица профилей матриц алмазных буровых коронок
Соотношение шкал буримости горных пород
| Породы | XII — бальная шкала буримости | Шкала твердости по Кнупу | Шкала твердости по Шору | Сравнитель-ная шкала твердости по Моосу |
|---|---|---|---|---|
| Песчаники на известковом или железистом цементе, мрамор, мелкозернистые известняки, доломиты, глинистые сланцы, каменный уголь, серпентиниты | V | 135-163 | 40-48 | 3 (кальцит) 4 (флюорит) > |
| Песчаники полевошпатные и кварцево-известковые алевролиты с включениями кварца, известняки плотные, доломиты плотные, сланцы кварцевослюдянистые, пироксениты крупнокристаллические, аргиллиты слабоокремненные | VI | 360-490 | 60 | 5 (апатит) |
| Аргиллиты окремненные, окварцованные полевошпатные песчанники, известняки кимберлитов, базальтовые и др. | VII | 490-560 | 90-110 | 6 (полевой шпат) |
| Аргиллиты кремнистые, конгломераты изверженных пород на известковом цементе, доломиты окварцованные, диабазы, диориты, лабрадориты, порфиры | VIII | — | — | — |
| Кремнистые породы, Конгломераты изверженных пород на кремнистом цементе, туфы окремненные | IX | — | — | — |
| Базальты, граниты, габбро, крепкие кварцевые песчаники, кварц жильный | X | 560 | 110 | 7 (кварц) |
| Базальты, среднезернистые граниты, гранитогнейсы, кварцевые порфиры, кварциты, кремнистые сланцы, яшмы, кремний и др. | XI | 560 | 110 | — |
| Дациты, кварцевые конгломераты, крепкие вязкие кварциты и др. | XII | 1250-8500 | 132 | 8 (топаз) 9 (корунд) |
Рекомендации по бурению
Эффективность алмазного бурения для конкретных условий залегания горных пород зависит от типа алмазной коронки, скорости вращения бурового снаряда, осевой нагрузке на коронку, расхода промывочной жидкости.
Частота вращения бурового инструмента в зависимости от диаметра коронки.
Давление на коронку в зависимости от диаметра коронки: I — коронка однослойная, II — коронка импрегнированная
Расход промывочной жидкости в зависимости от диаметра коронки.
Расход промывочной жидкости в зависимости от диаметра коронки.
Породоразрушающий инструмент для колонкового бурения
В геологоразведочных изысканиях колонковое бурение проводят с целью получения из скважины образцов горных пород (кернов). Данный процесс позволяет изучить структуру и состав выбранной породы с целью определения залежей твердых и жидких полезных ископаемых в данной местности. Керн формируется на забое скважины в процессе ее углубления с помощью породоразрушающего инструмента, который разрушает горную породу лишь по кольцевому забою и оставляет в центре нетронутый целик породы (колонку). Отсюда специфическая особенность конструкции породоразрушаю-щего инструмента для колонкового бурения состоит в том, что его вооружение располагается кольцеобразно вокруг свободного прохода для поступления керна. Задача получения достаточно полноценных образцов из скважины определяет дополнительные требования к породоразрушающему инструменту, который в этом случае должен обеспечивать не только эффективное разрушение породы на забое, но и хорошую сохранность керна при его формировании и поступлении в керноприемную трубу или грунтоноску.
Одна из наиболее важных характеристик колонкового породоразрушающего инстру-мента – коэффициент керноотбора, равный отношению диаметра керна к наружному диаметру инструмента. Керны отбирают специальными колонковыми наборами (колонковыми снарядами) и грунтоносками различных типов. Простейший колонко-вый снаряд состоит из коронки, кернорвателя, колонковой трубы и переходника.
Для оснащения колонкового снаряда применяются алмазные буровые коронки: однослойные 01А3, 01А4, 02КС, 05КС и др., импрегнированные 02И3, 02И4 и ряд других марок, кроме того в настоящее время колонковый снаряд оснащается дополнительно алмазными расширителями типа РСА которые служат для поддержания заданного диаметра скважины и для стабилизации колонковой трубы в процессе бурения. Буровая коронка представляет собой кольцо с присоединительной резьбой, у которого резцы (или алмазоносные сегменты) располагаются на нижнем торце и боковых поверхностях. Для бурения в породах мягких и средней твердости по XII-балльной шкале буримости пород используют твердосплавные и алмазные однослойные коронки (или мелкоалмазные), для бурения более твердых и абразивных пород IX-XII категорий применяют импрегнированные коронки сильно насыщенные мелкими алмазными зернами.
Алмазные коронки
В нефтяной и газовой промышленности колонковые снаяряды принято называть колонковыми наборами, а породоразрушающий инструмент – бурильной головкой – в качестве которой и выступает алмазная буровая коронка. Алмазная буровая коронка представляет собой кольцо с присоединительной резьбой, у которого резцы (или алмазоносные сегменты) располагаются на нижнем торце и боковых поверхностях, заготовкой для коронок является короночное кольцо, материалом для которого служит сталь марок 30, 35, 40 или Ст.4 и Ст.5. Наружный диаметр кольца В равен 74, 90, 109, 129 и 149 мм. Из истории алмазного бурения известно, что первоначально (конец XIX в. и начало XX в.) для изготовления алмазных коронок применялись крупные алмазы массой от 0,1 до 0,4 г. Алмазы заправлялись высококвалифицированными мастерами-чеканщиками. С 30-х годов XX века начали выпускать алмазные коронки, у которых матрицы содержали множество более мелких алмазов. Такие коронки получили название «мелкоалмазных». В настоящее время в основном применяют алмазные коронки двух типов – мелкоалмазные (или однослойные) и импрегнированные. В мелкоалмазных коронках мелкие зерна алмазов (от 30 до 90 зерен/карат) располагаются только на рабочей поверхности – по торцу и внешней и внутренней калибрующим поверхностям. В прошлом применялись также многослойные алмазные коронки, у которых алмазы располагались в несколько слоев, но они более сложны в изготовлении и менее практичны в употреблении, чем однослойные. В настоящее время многослойные коронки изготавливают в очень ограниченном количестве. Алмазные зерна укрепляют в матрице. Матрица может быть изготовлена методом литья или порошковой металлургии (наиболее распространенный сегодня метод) с предварительным прессованием порошковых исходных материалов (смесь порошкообразного карбида вольфрама и кобальта – ВК6, ВК8, ВК10, где индекс 6, …10 означает процентное содержание кобальта). Однослойные алмазные коронки применяют в малоабразивных породах средней твердости VII-IX категорий по буримости. В породах более твердых (X-XII категорий) применяются импрегнированные алмазные коронки. Их отличительная особенность состоит в том, что вся алмазосодержащая матрица насыщена очень мелкими алмазами крупностью 120-150 и 140-210 зерен/карат. Если мелкоалмазные коронки используются только частично и не доводятся до полного износа и выпадания алмазов, то импрегнированными коронками можно бурить до полного износа матрицы по высоте.