Загальні відомості
Для алмазного буріння характерно наступне:
- свердловини буряться коронками малого діаметра;
- свердловини можуть буритися під будь-яким кутом до горизонту;
- великі швидкості обертання алмазної коронки і їх висока зносостійкість;
- верстати для неглибокого алмазного буріння відрізняються великою швидкохідністю, малою вагою.
Алмазним бурінням пробурені найглибші в світі свердловини малого діаметру (ПАР, глибина 4295 м, d = 46 мм).
Алмази, їх властивості та застосування
Алмаз - мінерал, що складається з чистого вуглецю. Алмаз по твердості перевершує всі природні і штучні речовини. За шкалою Мооса його твердість дорівнює 10, а абсолютна твердість його у багато разів перевищує твердість корунду. За Разівалю абразивна здатність алмаза в 90 разів вище, ніж у корунду. Питома вага алмазів коливається в межах 3,1 - 3,54. Питома вага його 3,5 - 3,6.
Вага алмазу вимірюється в каратах (0,2 г). Розрізняють два основних види алмазів - ювелірні та технічні. Ювелірні алмази чистої води після штучного огранений називаються діамантами.
Розрізняють такі сорти технічних алмазів.
Борт (синонім - борті). До цього сорту алмазів відносяться неправильні кристали, зростки і кулясті променисті агрегати. Борти відрізняються крихкістю. Здебільшого вони пофарбовані в жовтий, коричневий і сірий кольори. Питома вага бортів 3,5 - 3,6.
Балласи є різновидом борту, але мають кулясту форму і променисту будову. Зазвичай центральна частина їх має крупнокристаллической структурою, а оболонка - дрібнозернистим будовою і підвищеною твердістю. Балласи мають питому вагу 3,5.
Карбонад (карбонати, чорні алмази) представляють собою тонкозернисті непрозорі агрегати овальної форми з алмазним блиском; пофарбовані вони в темні кольори: сірий, чорний і рідше зелений. Ці технічні алмази мають найменшої крихкістю.
Питома вага карбонадо коливається в межах від 3,1 до 3,45. Карбонад з об'ємною вагою менше 3,2 пористи і швидко стираються. Карбонад з об'ємною вагою понад 3,45 є вже перехідними до крупнокристаллическим, більш крихким.
Для виготовлення алмазних коронок до 1928 - 1935 рр. вживалися головним чином великі карбонадо вагою від 1 до 2 карат, які зачоканівалісь в коронки вручну.
У зв'язку з великим подорожчанням карбонадо в даний час для алмазного буріння застосовуються борти, головним чином дрібні.
Тому коронки, армовані дрібним бортом, називаються мелкоалмазних, виготовляються вони заводським шляхом.
В даний час у вітчизняній бурової практиці, як і за кордоном, в буровому інструменті, крім природних необроблених алмазів, використовуються також низькоякісні алмази, які піддаються відповідної механічної, термічної та інших видів обробки для підвищення їх механічної міцності. При облагороджування алмазів велику увагу приділяють зняттю внутрішньої напруги, овалізаціі алмазів з подальшим поліруванням.
Слід зазначити, що нині вітчизняною промисловістю у великих обсягах виготовляються синтетичні алмази, широко використовувані в машинобудуванні і приладобудуванні як абразивний матеріал. Проведені досліди із застосування великих синтетичних алмазів для армування коронок дають обнадійливі результати.
Освоєно виготовлення надтвердого сплаву боразон, що володіє дуже високою твердістю. Він витримує температуру вище 1 900 ° (алмаз в кисневому середовищі згорає при температурі 900 °).
Алмазні коронки і їх застосування
Алмазні коронки діляться на два основних види:
- суцільні коронки для бескернового буріння (алмазні долота);
- кільцеві коронки, вибурюють керн.
Для виготовлення бескерновим коронок застосовуються ретельно відібрані алмази борт вагою від V10 до V40 карата.
Гідність бескерновим коронок полягає в тому, що вони дозволяють бурити свердловини глибиною в кілька десятків метрів за один рейс (інструмент витягується тільки після доведення свердловини до кінця).
Алмазні кільцеві коронки не дозволяють використовувати всіх переваг буріння на великих швидкостях обертання, так як виникає при цьому вібрація призводить до частих самозаклінкам керна.
За способом розподілу алмазів на робочому торці коронки діляться на:
Одношарові і багатошарові коронки армуються алмазами борт з розміром зерна від 5 до 60 шт. на 1 карат. В американській практиці алмазами з розміром зерна від 5 до 20 каменів на 1 карат армують коронки для буріння порід не особливо твердих, алмазами з розміром зерна від 25 до 40 каменів на карат - для буріння твердих порід, алмазами зернистістю понад 50 шт. на 1 карат армуються коронки для буріння міцних абразивних порід. В одну коронку діаметром 46 мм вставляють 8 - 10 карат алмазів. В одношарових коронках алмази розподіляються на робочому торці коронки таким чином, щоб вставлені в матрицю алмазні зерна забезпечували рівностійких робочого торця коронки. Залежно від діаметра коронки і величини алмазних зерен останні розташовуються по торця коронки шістьма, сім'ю і дев'ятьма рядами з таким розрахунком, щоб кожна кільцева борозна, вибурюють алмазами на забої, перекривалася не менше ніж чотирма алмазними зернами. Приблизно 60% алмазів закріплюються в робочому торці коронки, а 40% бічних (підрізних) - для калібрування стінок свердловини і керна. Як підрізних алмазів використовуються алмази першого сорту або овалізованние. Зерна алмазів повинні бути на 70 - 75% занурені в матрицю; при цьому сплав матриці, повинен міцно зчіплюватися з алмазними зернами.
У багатошарових коронках алмазні зерна одного шару розміщуються в проміжках між зернами сусідніх шарів.
Знайдено засіб підвищення зносостійкості одношарових алмазних коронок. Справа в тому, що є можливість знаходити ті межі алмазів, які є найбільш твердими, а отже, і придатними для використання їх в якості різців.
Тому алмази можуть встановлюватися при армований і л в коронки таким чином, щоб вектора найбільшою твердості алмазних кристалів, що мають форму ромбических додекаедрів, октаедрів і кубів, були орієнтовані в напрямку різання породи з негативним кутом близько 15 °.
Коронки з орієнтованими алмазами зношуються значно повільніше і дають можливість бурити з більш високою механічною швидкістю.
Велике значення для швидкості буріння та стійкості алмазних коронок мають промивні канавки в робочому торці коронок, призначені для пропуску води, що охолоджує алмази і змиває шлам з забою.
Насичені коронки оснащують більш дрібними алмазами зернистістю від 80 до 200 шт. на карат. У імпрегновану коронках дрібні зерна алмазів повинні бути рівномірно розподілені в цементує сплаві по всій висоті кільцевої матриці. Концентрація алмазів складає від 1,5 до 2,0 карата на 1 мм висоти алмазосодержащей матриці.
Якість алмазів для імпрегновану коронок має менше значення, ніж для одношарових. Тому для імпрегновану коронок часто застосовуються дешеві подрібнені алмази.
Знос імпрегнованої коронки залежить від якості її матриці: чим твердіше матриця, тим менше витрата алмазів, тим довше працює коронка, а й тим менше швидкість буріння.
Насичені коронки з твердої матрицею доцільно застосовувати для буріння абразивних порід; такі коронки в процесі буріння абразивних порід самозаточуються, але при бурінні міцних малоабразивних порід зашліфовиваются і їх доводиться періодично заточувати за допомогою піскоструминного апарату.
Алмазосодержащих матриця буває або литий зі сплавів з порівняно низькою температурою плавлення або готується методом порошкової металургії. Для приготування матриць застосовують берилієвих бронзу, вольфрамово-мідно-алюмінієвий сплав, сплав карбіду вольфраму з кобальтом та ін. Проводяться досліди із застосування пластмасових і гумових матриць. За кордоном звертають особливу увагу па вибір матеріалу матриць. Найчастіше матриці виготовляються методом порошкової металургії. Чим абразивні порода, тим коронка повинна мати більш зносостійку матрицю.
Сплав матриці повинен:
- володіти високою теплопровідністю, щоб сприяти швидкому відводу тепла від торця коронки під час буріння;
- міцно зчіплюватися з алмазними зернами, що обумовлюється близькими значеннями коефіцієнтів розширення матеріалу матриці і алмазних зерен;
- утворюватися протягом нетривалого часу при температурі, яка виключає графітизацію алмазів.
Технологія алмазного буріння
Алмазні коронки мають невеликий діаметр, тому бурильні труби повинні мати ніпельні з'єднання.
Для коронок діаметром 36 і 46 мм застосовуються штанги діаметром 33,5 і 42 мм відповідно; для коронок 59 і 76 мм діаметром 50 мм.
Коронка, колонковая труба, перехідник і нижні штанги повинні бути після свинчивания соосни і прямолінійні. При бурінні в міцних породах між коронкою і колонкової трубою необхідно включати алмазний розширювач для калібрування стовбура. Це зменшить час на разбурку свердловини і збільшить працездатність алмазної коронки.
Для боротьби з викривленням свердловини рекомендується ставити другий алмазний розширювач між колонкової трубою і перехідником.
В процесі буріння у алмазної коронки зменшується зовнішній діаметр, а внутрішній діаметр збільшується. Отже, збільшується і діаметр керна. Тому, перш ніж опускати в свердловину нову, ще не працювала коронку, необхідно попередньо опрацювати забій свердловини хрестовим долотом для того, щоб зруйнувати залишився керн. Якщо не провести таку операцію, внутрішні алмази коронки можуть бути зруйновані керном. При бурінні бескерновим коронками ця операція відпадає.
Спуск інструменту з алмазної коронкою слід проводити без поштовхів і ударів, щоб не пошкодити алмазів. Нову, ще попрацювати коронку треба спускати особливо обережно, при спуску спостерігати, чи не затискається нова коронка в звуженої внизу свердловині. Якщо коронка затискаються, треба підняти її і приступити до разбурке свердловини - інакше можна сколоти зовнішні алмази. Коронку на забій необхідно ставити обережно, без поштовхів і ударів.
За даними зарубіжної практики, буріння мелкоалмазних коронками діаметром 46 і 36 мм можна вести при 750 - 1500 об / хв. При великих швидкостях обертання колона бурильних труб може сильно вибріровать, що знижує стійкість алмазної коронки. Для зменшення вібрації бурильні труби зовні змащуються спеціальним густим складом, що містить каніфоль, нігрол, тваринний жир і ін. Зі збільшенням фортеці і абразивності породи число обертів коронки зменшують. При глибокому бурінні швидкість обертання знижується до 150 - 250 об / хв.
При постановці на забій нової коронки дають спочатку невелике осьове зусилля (150 - 200 кг) і малу швидкість обертання; в міру підробітки алмазів в коронці протягом 10 - 15 хв навантаження на коронку і число оборотів її підвищують до нормальних. Осьове зусилля на коронку найчастіше доводять до 600 - 800 кг.
Буріння ведуть не до повного зносу коронки, а при зниженні швидкості буріння до 2 - 3 см / хв її змінюють.
Промивання при алмазному бурінні повинна забезпечувати гарне охолодження алмазів, так як вони при сильному нагріванні псуються. Швидкість висхідного потоку між колоною штанг і стінками свердловини повинна бути не менше 0,6 - 0,8 м / сек.
При наповненні колонкової труби керном інструмент піднімають. Для цього над коронкою поміщають кернорвателя, який зриває керн від забою. Піднята коронка відвертається і оглядається. Керн з колонкової труби витягується. Діамантову коронку слід замінити в разі:
- механічного пошкодження коронки;
- появи на торці коронки кругових борозен внаслідок відсутності повного перекриття робочого торця алмазами;
- сильного оголення алмазів;
- зносу коронки по діаметру.
Зношені алмазні коронки відправляють на завод, де матрицю розчиняють у відповідних кислотах і відбирають придатні для буріння алмази, які вдруге використовуються в коронках.
При бурінні вітчизняними алмазними коронками швидкість обертання зазвичай приймається в межах 250 - 450 об / хв. Осьова навантаження приймається з розрахунку від 40 до 60 кг на 1 см 2 робочого торця коронки в залежності від насиченості торця алмазної коронки алмазами.