Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении
In this paper a detail investigation is presented for estimating the rock cutting efficiency of the drilling bits equipped with Tvesal and PDCM (AПKM) inserts. The relationship has been established between roughness parameters of a bottom hole and the mechanical drilling speed.
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137945 |
| 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: | Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении / А.П. Закора, Р.К. Богданов, А.М. Исонкин, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 79-84. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137945 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1379452025-02-23T17:19:03Z Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении Закора, А.П. Богданов, Р.К. Исонкин, А.М. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения In this paper a detail investigation is presented for estimating the rock cutting efficiency of the drilling bits equipped with Tvesal and PDCM (AПKM) inserts. The relationship has been established between roughness parameters of a bottom hole and the mechanical drilling speed. 2008 Article Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении / А.П. Закора, Р.К. Богданов, А.М. Исонкин, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 79-84. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137945 622.24.051.64 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| spellingShingle |
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Закора, А.П. Богданов, Р.К. Исонкин, А.М. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description |
In this paper a detail investigation is presented for estimating the rock cutting efficiency of
the drilling bits equipped with Tvesal and PDCM (AПKM) inserts. The relationship has been established between roughness parameters of a bottom hole and the mechanical drilling speed. |
| format |
Article |
| author |
Закора, А.П. Богданов, Р.К. Исонкин, А.М. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. |
| author_facet |
Закора, А.П. Богданов, Р.К. Исонкин, А.М. Шульженко, А.А. Гаргин, В.Г. |
| author_sort |
Закора, А.П. |
| title |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| title_short |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| title_full |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| title_fullStr |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| title_full_unstemmed |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| title_sort |
оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137945 |
| citation_txt |
Оценка эффективности разрушения горных пород алмазными поликристаличискими композиционными материалами при бурении / А.П. Закора, Р.К. Богданов, А.М. Исонкин, А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 79-84. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| work_keys_str_mv |
AT zakoraap ocenkaéffektivnostirazrušeniâgornyhporodalmaznymipolikristaličiskimikompozicionnymimaterialamipriburenii AT bogdanovrk ocenkaéffektivnostirazrušeniâgornyhporodalmaznymipolikristaličiskimikompozicionnymimaterialamipriburenii AT isonkinam ocenkaéffektivnostirazrušeniâgornyhporodalmaznymipolikristaličiskimikompozicionnymimaterialamipriburenii AT šulʹženkoaa ocenkaéffektivnostirazrušeniâgornyhporodalmaznymipolikristaličiskimikompozicionnymimaterialamipriburenii AT garginvg ocenkaéffektivnostirazrušeniâgornyhporodalmaznymipolikristaličiskimikompozicionnymimaterialamipriburenii |
| first_indexed |
2025-11-24T02:34:37Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:34:37Z |
| _version_ |
1849637394064605184 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
79
УДК 622.24.051.64
А. П. Закора, Р. К. Богданов, А.М. Исонкин, кандидаты технических
наук, А. А. Шульженко, член-кор. НАН Украины,
В. Г. Гаргин, кандидат технических наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ
ПОРОД АЛМАЗНЫМИ ПОЛИКРИСТАЛИЧИСКИМИ
КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ПРИ БУРЕНИИ
In this paper a detail investigation is presented for estimating the rock cutting efficiency of
the drilling bits equipped with Tvesal and PDCM (AПKM) inserts. The relationship has been estab-
lished between roughness parameters of a bottom hole and the mechanical drilling speed.
В институте сверхтвердых материалов (ИСМ) НАН Украины разработан комплекс
бурового импрегнированного инструмента типа БС на основе синтетических монокристал-
лических алмазов, эффективность которого в породах IX –XI категорий по буримости пре-
вышает эффективность работы серийного инструмента, оснащенного природными алмазами.
Этому способствовало широкое применение вставок композиционного алмазосодержащего
материала твесал в конструкциях рабочего торца буровых коронок (БС06, БС16, БС18 и
БС23). Большой опыт эксплуатации этого инструмента показал, что вставки твесала, обла-
дающие большей износостойкостью, чем материал матрицы, позволяют не только защитить
наиболее подверженные интенсивному износу области рабочего торца матрицы, но и повы-
сить эффективность работы инструмента за счет участия их в процессе разрушения горной
породы [1].
С разработкой новых поликристаллических материалов на основе алмаза появилась
возможность создания в ИСМ НАН Украины новых типов породоразрушающего инструмен-
та не только за счет его конструктивных особенностей, но и комбинированного оснащения
его синтетическими алмазами и поликристаллическими материалами, в частности АПКМ.
Дальнейшее расширение номенклатуры АПКМ, а также соответствующие исследова-ния
позволили создать конструкцию коронки типа БТ20 с комбинированным оснащением
импрегнированной матрицы для бурения скважин в твердых породах [2]. Объемный слой
матрицы этой коронки оснащен монокристаллическими синтетическими алмазами, а клино-
видная вершина секторов ее рабочего торца дополнительно оснащена вставками АПКМ диа-
метром 1,3 – 1,9 мм.
В ИСМ НАН Украины выполнен комплекс исследований по изучению влияния вста-
вок композиционных алмазосодержащих материалов на работоспособность буровых им-
прегнированных коронок [3; 4], однако не было детально исследована эффективность разру-
шения ими горных пород. В данном случае под эффективностью разрушения горных пород
принимаем сочетание высокой механической скорости бурения инструментом с максималь-
ной шероховатостью микропрофиля забоя скважины.
Как известно [5], механическая скорость бурения при всех прочих равных показателях
оценивается шероховатостью забоя скважины:
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
80
DDSnRp
RRRnkP
V
n
вннakSалш
zалzборрОС
мех
212,0
,
где: Vмех – механическая скорость бурения, мм/мин; Pос – осевая нагрузка на буровую корон-
ку, даН; f – функция, учитывающая степень влияния эффекта Ребиндера при разу-
прочнении разрушаемой горной породы; kp – коэффициент разрыхления породы; nбор – коли-
чество борозд, необходимое для полного поражения забоя скважины; n – частота вращения,
мин-1; Rz – средняя высота микронеровностей (шероховатость) поверхности забоя от воздей-
ствия алмазной коронки, мм; Rал – радиус алмазного зерна, взаимодействующего с породой,
мм; pш – твердость горной породы (по Шрейнеру Л.А.), даН/мм2; ns – число алмазов на еди-
нице площади, шт/мм2; Sк– площадь рабочего торца коронки, мм 2; а – коэффициент, учиты-
вающий долевое количество алмазов, активно участвующих в разрушении горной породы;
Dн и Dвн – диаметр коронки, соответственно наружный и внутренний, мм.
Как видим, механическая скорость бурения и шероховатость забоя скважины взаимо-
связаны.
Цель настоящей работы – оценить эффективность разрушения твердых горных пород
алмазными композиционными материалами, входящими в конструкцию импрегнированных
коронок по шероховатости микропрофиля забоя скважины.
Эффективность разрушения забоя твердой горной породы алмазными композицион-
ными термостойкими материалами изучали по разработанной в ИСМ НАН Украины методи-
ке изучения микропрофиля поверхности забоя, сформированного при алмазном бурении [6],
дополненной новым оборудованием и программным обеспечением.
Указанная методика состоит в следующем. Из плит горных пород толщиной 50 - 60
мм с помощью специальной оправки опытной коронкой выбуриваются керны. Оправка га-
рантирует концентричность линий резания на забое горной породы, что необходимо для по-
лучения в дальнейшем результатов математического обсчета профиля поверхности забоя с
высокой точностью. Полученные образцы кернов со сформированным в процессе бурения
забоем направляются для дальнейшего исследования в систему измерения шероховатости
поверхности.
Принцип работы системы измерения шероховатости поверхности заключается в сле-
дующем. Дифференциальный сигнал о профиле поверхности снимается с выхода самописца
профилометра и по кабелю подается на дифференциальный вход АЦП, где обрабатывается
ПЭВМ с помощью специально разработанной программы расчета параметров микропрофиля
поверхности SURF для Windows XP. Эта программа позволяет измерить микрогеометрию
поверхности образца буримой горной породы, расчитать параметры шероховатости и ре-
зультат расчета графически (в режиме реального времени) отобразить на экране монитора
или вывести на принтер в виде протокола.
Конструкция буровых коронок типа БТ20 предполагает размещение вставок АПКМ
заподлицо с плоской частью клиновидной вершины секторов ее рабочего торца. Схема ос-
нащения рабочего торца опытной коронки типа БТ20 диаметром 59 мм приведена на рис.1.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
81
Рис.1. Схема оснащения рабочего торца опытной коронки типа БТ20 вставками
АПКМ диаметрами 1,3, 1,9 мм или вставками твесала размером 34 мм:1 – корпус коронки;
2 – алмазосодержащая матрица; 3 – вставки АПКМ или вставки твесала; 4 – подрезные
вставки твесала; 5 - алмазы
Было изготовлено четыре типа инструмента с различным оснащением объемного слоя
рабочего торца импрегнированной матрицы:
коронка без оснащения вставками (№ 1);
в центральной части каждого сектора устанавливалась вставка АПКМ диаметром 1,3 мм
(№ 2);
в центральной части каждого сектора устанавливалась вставка АПКМ диаметром 1,9 мм
(№ 3);
в центральной части каждого сектора устанавливалась вставка твесала размером 34 мм
(№ 4).
Для выбурки кернов, необходимых для исследования, в настоящей методике использова-
ли буровой стенд на базе радиально-сверлильного станка модели 2Н58.
Параметры режима бурения были приняты следующие:
частота вращения – 630 мин -1;
осевая нагрузка – 1000 даН.
В качестве объекта исследований применяли плиты из коростышевского гранита.
Согласно ГОСТ 2789-82 вычисляли все основные и дополнительные высотные пара-
метры шероховатости поверхности забоя, а также статистические параметры профиля. Одна-
ко для оценки разрушающей способности опытного бурового инструмента делалась выборка
результатов измерений следующих параметров микропрофиля поверхности забоя:
Ra – среднее абсолютное отклонение профиля;
Rz – отклонение профиля по десяти точкам;
Rmax – расстояние между наивысшей и наинизшей точками профилограммы;
⋅Sm – средний шаг неровностей по средней линии.
Результаты исследования шероховатости микропрофиля поверхности забоя ГОСТ
25142-82, полученные в процессе бурения, приведены в таблице.
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
82
Результаты измерения параметров шероховатости микропрофиля поверхности забоя,
полученные в процессе бурения
Номер
корон-
ки
Характеристика
коронки
Rа, мм Rz, мм Rmax, мм Sm, мм
1 Без вставок 1,143 4,438 6,656 350,94
2 Со вставками АПКМ
1,3 мм 1,978 6,599 11,278 503,64
3 Со вставками АПКМ
1,9 мм 1,756 5,262 7,333 465,69
4
Со вставками
твесала 1, 425 4,867 7,024 420,48
Как видим, значения шероховатости забоя коростышевского гранита у всех четырех
коронок разные. Наибольшее значение Rz у коронки № 2, наименьшее – у коронки № 1. Та-
кая же картина отмечается и по другим параметрам шероховатости.
Таким образом, при использовании для оснащения рабочего торца коронки вставок
твесала или АПКМ шероховатость микропрофиля поверхности забоя имеет тенденцию к
увеличению, что как указывалось ранее [1], свидетельствует об участии этих вставок в про-
цессе разрушения горной породы в качестве дополнительного индентора. Отличие же шеро-
ховатости при бурении коронками, оснащенными твесалом и АПКМ, объясняется следую-
щим.
В случае использования вставок твесала для оснащения объемного слоя рабочего тор-
ца комбинированной матрицы структура материала вставки аналогична структуре материала
матрицы коронки, а именно: матрица и вставки твесала оснащены одинаковыми синтетиче-
скими монокристаллическими алмазами, при этом алмазы во вставках благодаря технологии
спекания твесала закреплены лучше, чем в матрице коронки. При бурении осевая нагрузка
перераспределяется между всеми выходящими на поверхность рабочего торца алмазными
зернами как матрицы, так и вставок. Поэтому в зоне расположения вставок твесала на рабо-
чем торце коронки шероховатость микропрофиля забоя выше, чем при отсутствии этих вста-
вок.
При использовании вставок АПКМ для оснащения объемного слоя рабочего торца
комбинированной матрицы сохраняется тенденция к увеличению шероховатости микропро-
филя поверхности забоя относительно полученной при бурении матрицей коронки без вста-
вок. Однако такое увеличение существеннее, чем при использовании твесала, что объясняет-
ся поликристаллической структурой материала АПКМ. В данном случае вставка АПКМ ра-
ботает относительно алмазов матрицы как отдельно взятое крупное алмазное зерно.
Нами были проведены исследования по установлению взаимосвязи шероховатости
забоя скважины и механической скорости бурения коронками, оснащенными вставками
АПКМ.
Результаты изменения механической скорости бурения от проходки приведены на
рис.2.
С увеличением проходки механическая скорость бурения опытными коронками сни-
жается. Большей механической скоростью бурения (в рассматриваемых пределах проходки)
обладают коронки № 2. У коронки № 3 в рассматриваемых пределах проходки отмечается
более медленное снижение механической скорости бурения.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
83
Анализируя данные таблицы и сопоставив их с данными рис. 2, приходим к выводу,
что при повышении механической скорости бурения Rz увеличивается. С увеличением про-
ходки механическая скорость бурения снижается, что объясняется заполировкой алмазов.
Наиболее стабильна механическая скорость бурения при использовании коронок № 3.
Рис. 2. Зависимости механической скорости бурения коронками от проходки
Очевидно, полученный результат можно объяснить тем, что площадь контакта вста-
вок коронки № 3 больше площади контакта вставок коронки № 2 и в пределах испытаний
данный фактор приводит к более надежной защите синтетических алмазов матрицы от изно-
са.
Выводы
Тип и размер породоразрушающих элементов буровой импрегнированной коронки
влияет на шероховатость забоя скважины.
Вставки АПКМ значительнее влияют на шероховатость забоя скважины, нежели
вставки твесала.
Практически доказано, что шероховатость микропрофиля поверхности забоя твер-
дых горных пород взаимосвязана с механической скоростью бурения их коронками, осна-
щенными вставками АПКМ в комбинации с синтетическими монокристаллическими алма-
зами. С повышением механической скорости бурения шероховатость микропрофиля забоя
увеличивается и вследствие этого повышается эффективность разрушения породы буровым
инструментом.
Литература
1. Закора А.П. Влияние вставки твесала, размещенной в торце матрицы импрегнирован-
ной коронки, на процесс разрушения горных пород //Синтетические сверхтвердые ма-
териалы в буровом инструменте: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ АН УССР, 1988. – С.
65-70.
2. Богданов Р. К., Дутка В. А., Закора А.П. К вопросу оснащения твердыми материалами
инструмента для бурения скважин в породах средней твердости // Породоразрушаю-
щий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления
и применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2005. –
Вып. 8. – С. 78-82.
3. Алмазный поликристаллический материал для оснащения бурового инструмента /
А.А. Шульженко, Р.К. Богданов, В.Г. Гаргин и др. // Породоразрушающий и металло-
обрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения:
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
84
Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2007. – Вып. 10. – С.
189-196.
4. Новый сверхтвердый материал в буровом инструменте / Р.К. Богданов, А.А. Шульже-
нко, А.П. Закора и др. // Сверхтвердые материалы. – 2007. - № 1. – С. 73-82.
5. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном бурении: Моногр./ П.В. Зыбинский,
Р.К. Богданов, А.П. Закора, А.М. Исонкин – Донецк: Норд-Пресс, 2007. – 244 с.
6. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических усло-
виях: Моногр./ Н.В. Соловьев, В.Ф. Чихоткин, Р.К. Богданов, А.П. Закора - М.: Изд-во
ВНИИОЭНГ, 1997. - 332 с.
Поступила 19.06.08
|