Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ

Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ

The reasons are explained of low thermal stability of the generally marketed PDC bits. The technology has been proposed of sintering the PDCs with improved thermal stability. The results are given of testing the drills equipped with new PDC bits

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Datum:2006
Hauptverfasser: Стасюк, Л.Ф., Мельник, М.П., Бондаренко, Н.А., Мельник, Н.Н., Мечник, В.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2006
Schlagworte:
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134339
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ / Л.Ф. Стасюк, М.П. Мельник, Н.А. Бондаренко, Н.Н. Мельник, В.А. Мечник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 25-30. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134339
record_format dspace
spelling Стасюк, Л.Ф.
Мельник, М.П.
Бондаренко, Н.А.
Мельник, Н.Н.
Мечник, В.А.
2018-06-13T09:08:27Z
2018-06-13T09:08:27Z
2006
Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ / Л.Ф. Стасюк, М.П. Мельник, Н.А. Бондаренко, Н.Н. Мельник, В.А. Мечник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 25-30. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
2223-3938
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134339
622.24.051
The reasons are explained of low thermal stability of the generally marketed PDC bits. The technology has been proposed of sintering the PDCs with improved thermal stability. The results are given of testing the drills equipped with new PDC bits
ru
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
spellingShingle Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
Стасюк, Л.Ф.
Мельник, М.П.
Бондаренко, Н.А.
Мельник, Н.Н.
Мечник, В.А.
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
title_short Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
title_full Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
title_fullStr Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
title_full_unstemmed Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ
title_sort термостойкие атп и результаты их применения в буровых инструментах исм
author Стасюк, Л.Ф.
Мельник, М.П.
Бондаренко, Н.А.
Мельник, Н.Н.
Мечник, В.А.
author_facet Стасюк, Л.Ф.
Мельник, М.П.
Бондаренко, Н.А.
Мельник, Н.Н.
Мечник, В.А.
topic Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
topic_facet Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
publishDate 2006
language Russian
container_title Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
format Article
description The reasons are explained of low thermal stability of the generally marketed PDC bits. The technology has been proposed of sintering the PDCs with improved thermal stability. The results are given of testing the drills equipped with new PDC bits
issn 2223-3938
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134339
citation_txt Термостойкие АТП и результаты их применения в буровых инструментах ИСМ / Л.Ф. Стасюк, М.П. Мельник, Н.А. Бондаренко, Н.Н. Мельник, В.А. Мечник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 25-30. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT stasûklf termostoikieatpirezulʹtatyihprimeneniâvburovyhinstrumentahism
AT melʹnikmp termostoikieatpirezulʹtatyihprimeneniâvburovyhinstrumentahism
AT bondarenkona termostoikieatpirezulʹtatyihprimeneniâvburovyhinstrumentahism
AT melʹniknn termostoikieatpirezulʹtatyihprimeneniâvburovyhinstrumentahism
AT mečnikva termostoikieatpirezulʹtatyihprimeneniâvburovyhinstrumentahism
first_indexed 2025-11-26T01:42:52Z
last_indexed 2025-11-26T01:42:52Z
_version_ 1850605444354015232
fulltext Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 25 УДК 622.24.051 Л. Ф. Стасюк1, канд. техн. наук; М. П. Мельник2, инженер; Н. А. Бондаренко1, канд. техн. наук ; Н. Н. Мельник2, инженер; В. А. Мечник1, канд. техн. наук 1 Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина 2 ГК “Укргаздобыча” НАК “Нефтегаз Украины” ТЕРМОСТОЙКИЕ АТП И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТАХ ИСМ The reasons are explained of low thermal stability of the generally marketed PDC bits. The technology has been proposed of sintering the PDCs with improved thermal stability. The results are given of testing the drills equipped with new PDC bits. Актуальность проблемы Создание алмазно-твердосплавных пластин (АТП) было значительным этапом в со- вершенствовании алмазных буровых инструментов, так как их использование в качестве по- родоразрушающих элементов позволило существенно повысить эксплуатационные характе- ристики, в частности, увеличить механическую скорость бурения, до уровня скорости шаро- шечных долот, превысив показатель по проходке на долото в несколько раз. Высокие пока- затели бурения в верхних интервалах по мягким породам способствовали повышению уров- ня использования таких долот в некоторых регионах до 30 %. Но с увеличением глубины залегания нефтегазоносных горизонтов увеличиваются твердость и абразивность пород, что значительно снижает показатели бурения долот, оснащенных АТП, а в продуктивных гори- зонтах, представленных доломитами и песчаниками, их использование становится нерента- бельным. Это объясняется низкой (650 оС) термостойкостью пластин АТП, т. е. способно- стью сохранять свои свойства до температуры нагрева 650 оС. Как было установлено в ре- зультате лабораторных исследований, температура в зоне контакта АТП с породой достигает  700 оС при бурении абразивных пород средней твердости и  1000 оС при бурении твердых абразивных пород. Создание термостойких пластин АТП, для оснащения буровых долот, используемых при бурении в продуктивных горизонтах, являлось целью настоящей работы. Исследование процесса получения АТП АТП представляют собой двухслойные пластины, один слой – алмазный поликристалл, а другой – подложка из твердого сплава. Основной эксплуатационной характеристикой АТП является износостойкость алмазоносного слоя. РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 26 Рис. 1. Фрагменты дифрактограммы: микропорошка АСМ 60/40 –исходного (а), после действия давления 7,7 Гпа (б); алмазоносного слоя АТП после спекания твердофазного (в); жидко- фазного (г); в области стабильности графита (д); с добавками никеля (е). × – линии двойного карбида титана СоxWyCz. а б в г д е Для изготовления (спекания) АТП используются пресса ДО – 0,43 и ДО – 0,44 усили- ем 2000 – 2500 т. Для исследования механизма спекания АТП использовали порошок синте- тического алмаза АСМ 60/40 и подложку из твердого сплава ВК20. Спекание проводили в АВД тороид при давлении 7,7 ГПа, температуре 1500 – 2000 ºС и времени изотермической выдержки 15 – 20 с. Процесс спекания алмазных зерен при получении АТП можно условно разделить на 3 стадии. Первая – создание давления в аппарате, которое происходит без нагрева реакционного объема. Во время действия давления на формируемый алмазоносный слой происходит значительное уменьшение его пористости. Так, если в состоянии свободной засыпки пористость алмазного брикета составляет 45 %, то после воздействия давления она уменьшается до 19%. Процесс усадки на этой стадии происходит за счет измельчения, проскальзывания и укладки алмазных зерен. Дифрактограммы исходного и подверженного давлению 7,7 ГПа порошка практически идентичны (рис. 1, а, б). Расширение линии (331), вызванное увеличением дефектности кристаллической решетки, несущественно. Второй стадией спекания можно считать период нагрева реакционного объема АВД от ком- натной температуры до температуры получения жидкой фазы. Продолжительность этого неизотер- мического периода составляет 10 – 15 с. Усадка алмазного слоя АТП на этой стадии твердофазного спекания проходит в основном в соответствии с механизмом термического активирования процесса укладки зерен и механизма пластического течения. Пористость алмазного слоя при завершении этой стадии спекания составляет приблизительно 10 %. На протекание процесса пластического течения и как следствие возрастание дефектности кристалли- ческой решетки указывает изменение формы ли- нии (331) алмаза на дифрактограмме (см. рис. 1, в). Разделения α дублета не происходит, а наблюда- ется ее значительное расширение. По данным ра- боты [1] пластическое течение алмаза возможно при параметрах спекания Р > ГПа и Т > 1000 ºС. Третья стадия спекания начинается с момента дос- тижения температуры пропитки алмазного шара жидкой фазой. Продолжительность изотермиче- ской выдержки на этой стадии составляет 20 – 25 с. Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 27 Пропитка осуществляется за счет разности давлений в беспористой подложке, подве- рженной всестороннему сжатию, и в порах алмазного слоя, где давление приблизительно равно атмосферному. По мере проникновения расплава в алмазный слой начинается процесс жидкофазного спекания. Он состоит в дальнейшем уменьшении пористости и увеличении степени пласти- ческой деформации алмазных зерен. Окончательная пористость алмазного слоя, рассчитаная по объемному содержанию заполняемой поры связующей фазы, составляет 4 %. Линия алма- за (331) на дифрактограмме спеченной пластины значительно расширилась (см. рис. 1, г). По данным микрорентгеноспектрального анализа связующая фаза алмазоносного слоя пластины вмещает 65-70 % (по массе) Со и 30-35 W. Такое соотношение компонентов при- близительно соответствует составу эвтектики Со-WС согласно диаграмме состояния систе- мы W- С - Со [2]. По данным работы [3] при температуре плавления эвтектики (1320 ºС при атмосфер- ном давлении) жидкая фаза в твердом сплаве составляет 64 % (по массе) Со и 36 % W, при- чем ее объем в сплаве марки ВК20 составляет 41,9%. На дифрактограмме алмазного слоя спеченных АТП (см. рис.1), кроме линии алмаза, видны линии карбида вольфрама и кобаль- та. Это дает основание утверждать, что пропитка алмазного слоя пластины осуществляется расплавом Со – WС эвтектического состава. Утверждение о графитизации алмазов в порах алмазной прессовки в процессе нагрева до температуры спекания, которая наблюдалась в работе [4], не подтвердилось. Графитиза- ция алмаза происходит при спекании в области температур выше 2000 ºС, что при исполь- зуемом давлении отвечает области термодинамической стабильности графита на Р – Т диа- грамме углерода. Характерно, что если на дифрактограмме АТП, спеченных в условиях тер- модинамической стабильности алмаза (см. рис. 1, г), видны только следы двойного карбида вольфрама кобальта типа СоxWyCz, то в пластинах, полученных в условиях термодинамичес- кой стабильности графита (см. рис. 1, д), он присутствует в значительном количестве. При этом монокарбид WС практически отсутствует. По данным работы [2] двойной карбид воль- фрама кобальта типа СоxWyCz может образовываться при недостаточном для нормальной кристаллизации содержании углерода. Таким образом, можно утверждать, что эвтектический расплав Со – WС, который проникает в алмазный слой с твердосплавной подложки при тем- пературе и давлении в области термодинамической стабильности графита, кристаллизуется в виде графита двойного карбида вольфрама кобальта и кобальта. При введении порошка никеля в алмазный порошок для активирования процесса спе- кания на дифрактограмме, снятой с поверхности алмазного слоя спеченной АТП, присутст- вует только линия алмаза и никеля (см. рис. 1, е). В то же время в алмазном слое в области подложки находился кобальт и карбид вольфрама. Вероятно, жидкая фаза, которая образует- ся в подложке, вытесняет расплав никеля до поверхности алмазного слоя. Этот факт можно связать с повышенной вязкостью металлических расплавов, которые содержат тугоплавкие частицы. По данным работы [5] пропитка алмазного порошка кобальтом при давлении 8,0 ГПа начинается при 1440 ºС, а расплавом из твердого сплава – при 1700 ºС, и для достиже- ния одинаковых констант скорости пропитки твердый сплав необходимо нагреть на 150 – 200 градусов выше, чем чистый кобальт. Этим объясняется необходимость использования высоких температур для спекания алмазных твердосплавных пластин. Так, при температурах спекания 1500 – 1600 ºС алмазоносный слой диспергируется и отслаивается от подложки. Лабораторные исследования термостабильности АТП С целью максимального приближения наших исследований к условиям реального процесса изготовления инструмента (пайки АТП) пластины размещали в предварительно нагретую муфельную печь при атмосферном давлении и выдерживали заданное время с по- следующим охлаждением на воздухе. Исследования проводили в диапазоне температур 500 – 800 ºС и выдержки 1 – 10 мин. РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 28 Испытания износостойкости АТП после нагрева и охлаждения проводили в соответ- ствии с методикой, описанной в стандарте ІНМ НАНУ СТП 90.103–93. Сущность метода заключается в определении износа АТП при строгании кварцевого песчаника, имеющего прочность на одностороннее сжатие 140 МПа и абразивность 35 мг. Режимы испытаний: скорость резания – 0,55 м/с, глубина резания – 0,5 мм, поперечная подача – 2,8 мм/ход. Дли- на пути резания 50 м. Результаты исследования термостабильности АТП представлены на рис. 2. Для плас- тин, изготовленных по серийной технологии (1), нагрев пластин в течение 3 мин до темпера- туры 650 ºС не приводит к снижению износостойкости АТП, тогда как нагрев выше 650 ºС приводит к их деградации. При 10 мин нагрева термостабильность пластин составляет 500 ºС. Для АТП, спеченных по экспериментальной технологии (2), термостабильность составля- ет 750 ºС при 3 мин нагрева и 620 ºС при 10 мин нагрева. Таким образом, спекание АТП по экспериментальной технологи способствует повышению термостойкости пластин на 100 ºС. Для сравнения с отечественным АТП на рис. 2 приведены данные по термостабильности пластин фирмы De Beers (3). Рис. 2. Термостабильность АТП, спеченных по серийной технологии (1), по экспери- ментальной технологии (2) и пластин фирмы De Beers (3). Для анализа причин различных значений термостабильности АТП, изготовленных ра- зными способами, проведены исследования микроструктуры алмазного слоя пластин. Мето- дом микрорентгеноспектрального анализа изучено содержание металлов активаторов в на- правлении от подложки до поверхности алмазоносного слоя (рис. 3). Спекание пластин по серийной технологии проводится с дошихтованием алмазного порошка 10 % (по массе) порошка никеля, температура плавления которого под давленим на 150 ºС ниже температуры плавления эвтектики Со – WС, что способствует увеличению ско- рости пропитки и спекания алмазоносного слоя. Суммарная масса металлов – активаторов в серийных пластинах составляет 15 %, причем наблюдается эффект вытеснения никеля к по- верхности алмазного слоя более вязким эвтектическим раствором Со – WС, который прони- кает в алмазный слой с твердосплавной подложки. Уменьшение массы дошихтованного ни- келя до 3 % приводит к более равномерному распределению металлов – активаторов в экспе- риментальных АТП, а их суммарная масса уменьшается до 10 %. В импортных АТП металлы – активаторы Со и W равномерно пропитывают алмазоносный слой, а их суммарная масса составляет 7 %. Промышленные испытания Для проведения испытаний пластин АТП с повышенной термостойкостью было изго- товлено буровое долото ИСМ-АП-214,3 С (рис. 4), которое оснащалось указанными пласти- РАБОЧАЯ ЗОНА мин ЗОНА ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 29 Рис. 4. Буровое долото ИСМ – АП – 214,3 С. нами. Долото состоит из стального корпуса, в шести лопастях которого закреплялись 47 пластин АТП  13,5 мм. Испытания долота проводились на скважине № 154 Мелиховского месторождения Шебелинского УБР в интервале глубин 2300–2738 м, по породам представленным ангидридами, аргиллитами и доломитами. Результаты производственных испытаний представлены в таблице. Эффективность применения долот ИСМ-АП- 214,3 С, оснащенных термостойкими пластинами АТП, подтверждается значительным увеличением проходки (более 11 раз) и механической скорости бурения (на 20 %). Результаты отработки долот ИСМ приводятся в сравнении с результатами отработки шарошечных долот, так как ни импортные долота с пластинами PCD, ни отечественные с пластинами АТП серийного производства, в твер- дых породах не используются. Неэффективность первых обуслов- ливается высокой ценой, вторых – низкой проходкой на долото. Таблица. Сравнительные результаты бурения долотами ИСМ, оснащенных термостой- кими пластинами АТП, в условиях Шебелинского УБР Типораз- мер и но- мер долота Номер скважины Геологичес- кий разрез Диапазон бурения, м К-во долот, шт. Про- ход- ка на доло- то,м Время буре- ния,ч. Механи- ческая скорость бурения, м/ч. ИСМ- АП214,3 С № 34575 154. Мели- ховская 300 – 738 1 406 413 0,98 215,9 С - ГВУ 151. Мели- ховская Аргилиты, алевролиты ангидриды, доломиты 357 – 743 11 35 43 0,82 Рис. 3. Распределение мета- ллов–активаторов в алмазном слое АТП, спеченных по серий- ной технологии (1), по экспе- риментальной технологии (2), пластин фирмы “De Beers” (3). а б в РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 30 Выводы В результате проведения научно-исследовательских работ и производственных испы- таний установлено следующее: 1. Созданы новые пластины АТП, термостойкость которых составляет 750 ºС при вре- мени нагревания 3 мин. 2. С уменьшением количества металлов – активаторов в алмазном слое термостабиль- ность АТП увеличивается. 3. Разработанные долота ИСМ-АП-214,3 С, оснащенные термостойкими пластинами АТП, показали высокую эффективность применения в гомогенных отложениях. Литература 1. De Vriec R. C. Plastic deformatich and «wab–hardenirq» of diamond //Material Rereach Bulletin – 1975 – 10, № 11 – Р. 1193–1200. 2. Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных тве- рдых сплавов. – М. : Металлургия, 1976. – 528 с. 3. Лисовский А. В. Миграция расплавов металлов в спеченных композиционных телах. – Киев : Наук. думка, 1984. – 256 с. 4. Поликристаллические материалы на основе алмаза / Шульженко А. А., Гаргин В. Г., Шишкин В. А., Бочечка А. А. – Киев : Наук. думка. – 1989. – 192 с. 5. Бочечка А. А., Гаргин В. Г. Миграция кобальта в алмазный порошок из твердого сплава при высоком давлении // Влияние высоких давлений на свойства материалов. – Киев : ИПМ АН УССР, 1990. – С. 103–107. Поступила 13.04.2006 г.

Ähnliche Einträge