Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки
The results of assessing the nature and extent of deformation of the matrix material of diamond drill bit cuttings particles destroyed of the rock are resulted
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23405 |
| 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: | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки // А.М. Исонкин // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 182-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860066682690600960 |
|---|---|
| author | Исонкин, А.М. |
| author_facet | Исонкин, А.М. |
| citation_txt | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки // А.М. Исонкин // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 182-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The results of assessing the nature and extent of deformation of the matrix material of diamond drill bit cuttings particles destroyed of the rock are resulted
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:08:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
182
УДК 622.24 (085). (477.62)
А. М. Исонкин, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ХАРАКТЕР И СТЕПЕНЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ ШЛАМА РАЗРУШЕННОЙ
ГОРНОЙ ПОРОДЫ НА МАТРИЦУ АЛМАЗНОЙ БУРОВОЙ КОРОНКИ
The results of assessing the nature and extent of deformation of the matrix material of di-
amond drill bit cuttings particles destroyed of the rock are resulted
При изучении трибосопряжения «буровая коронка – шлам – горная порода» и выборе
композиционных алмазосодержащих материалов матрицы для обеспечения их эффективной
работы возникает необходимость оценки гранулометрического состава шлама разрушенной
горной породы, а также характера и степени воздействия его частиц на рабочую поверхность
породоразрушающего инструмента. Однако при этом невозможно обеспечить полную ис-
ходную информацию, поскольку недостаточно изучено физическое содержание протекаю-
щих на фрикционном контакте процессов, особенно для новых классов композиционных
алмазосодержащих материалов, а также неизвестны математическое описание процесса из-
нашивания и методы его решения.
Цель работы, результаты которой отражены в настоящей статье, состояла в оценке гра-
нулометрического состава шлама разрушаемой горной породы и влияния прочностных харак-
теристик ее частиц на степень их воздействия на рабочую поверхность буровой коронки.
В качестве объектов исследования выбрали буровые коронки типа БА-30 диаметром
59 мм с алмазоносной матрицей, выполненной на основе адгезионно-активных относительно
алмазов связок. Объемный алмазоносный слой коронок оснастили взятыми из одной исход-
ной партии синтетическими монокристаллическими алмазами марки АС125 зернистостью
250/200 мкм.
Шлам отбирали с помощью устройства пакерного типа в процессе бурения скважин в
коростышевском граните X категории буримости при принудительной механической подаче
инструмента, которую обеспечивал специальный буровой стенд на базе радиально-
сверлильного станка модели 2Н-55. В качестве промывочной жидкости использовали техни-
ческую воду, расход которой составил 15 дм
3
/мин.
В проанализированных пробах (см. табл.) преобладают мелкие зерна фракции шлама.
Например, содержание в пробах частиц размером 1–15 мкм составляют около 70 %. При
этом с увеличением зернистости частиц шлама их доля в пробах резко снижается. Так, доля
частиц размерами более 50 мкм не превышает 6 %. Преобладание в пробах мелких частиц
свидетельствует об их дроблении при расклинивании и дальнейшем пассивном выведении из
зазора между матрицей коронки и забоем скважины.
С использованием методов математической статистики на ПЭВМ с достаточной дос-
товерностью установлено, что гранулометрический состав шлама коростышевского гранита
подчиняется диффузионному немонотонному закону распределения, согласно которому
функция плотности вероятности размеров выражается зависимостью
x
x
xxx
x
x
xP
78,35
22,12
exp
28,6346,0
1
ез2
)е(
exp
зе
1
)(
2
22
2
, (1)
где x, , - параметры распределения
По приведенному закону распределения можно установить количество частиц шлама
горной породы, активно участвующих в деформировании и изнашивании матрицы буровых
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
183
коронок, при условии определения зазора между поверхностями рабочего торца коронки и
забоем скважины, неразрывно связанного с высотой выступания алмазов из матрицы.
Минимальный размер Dmin частиц шлама, активно взаимодействующих с матрицей
коронки и деформирующих ее материал, соизмерим с зазором между рабочим торцом ко-
ронки и забоем скважины и рассчитывается по формуле
Dmin = = Hmax – Rmax, (2)
где – зазор между рабочим торцом коронки и забоем скважины; Hmax, Rmax –максимальная
высота профиля выступающих из матрицы алмазных зерен и выступов разрушаемой горной
породы соответственно (шероховатость поверхности по ГОСТ 252142-82).
Для алмазов зернистостью 250/200 мкм Hmax ≤ 125 мкм, т. е. не превышает половины
диаметра алмазного зерна, что подтверждается данными замеров. При бурении гранита ко-
ронками, оснащенными синтетическими монокристаллическими алмазами зернистостью
250/200 мкм, в среднем Rmax = 80 мкм [1].
При этом доля частиц шлама Nшл, способных активно воздействовать на материал
матрицы, рассчитывается по формуле
max
min
шлшлшл
D
D
dDDPN (3)
где Dmax, Dmin максимальный и минимальный, соизмеримый с величиной зазора между
матрицей и забоем скважины, размер частиц шлама соответственно; P(Dшл) плотность ве-
роятности размеров частиц шлама, выраженная вероятностным законом распределения (1).
С уменьшением зазора между матрицей коронки и забоем скважины резко увеличива-
ется доля частиц шлама, активно участвующих в деформировании материала матрицы. На-
пример, уменьшение зазора с 50 до 40 мкм, т. е. на 20 %, приводит к увеличению доли ак-
тивно воздействующих частиц в 2,03 раза, а уменьшение зазора с 50 до 30 мкм, т. е. на 40 %,
– к увеличению доли таких частиц уже в 4,2 раза.
Результаты анализа представлений о процессе контактирования импрегнированных
буровых коронок с горной породой на забое скважины показали, что на износ их матриц су-
щественно влияет не только гранулометрический состав, но и прочность частиц шлама, оп-
ределяющая степень их воздействия на рабочую поверхность инструмента.
Разрушеный поверхностный слой материала матрицы частицами шлама состоит из
множества повреждений его микрообъемов в виде выдавленных царапин (рис. 1).
Рис. 1. Характерный вид износа материала матрицы алмазной буровой коронки
Для определения условий взаимодействия частиц шлама с материалом матрицы и
возникающих при этом контактных напряжений в системе «буровая коронка – шлам – забой
скважины» воспользуемся основными положениями трибологии. Учитывая, что кинематиче-
ское состояние взаимодействия абразивных частиц шлама разрушенной горной породы с
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
184
поверхностью рабочего торца буровой коронки влияет на площадь фактического контакта и
относительный износ, для решения поставленной задачи воспользуемся методом, развитым
Е. М. Михиным. Согласно этому методу при определении нормальных напряжений на пло-
щадке контакта сферы с плоскостью касательными напряжениями можно пренебречь и ис-
пользовать отношения осесимметричной деформации [2].
Допустим, частицы шлама имеют вид сферическую форму. Выразим деформируемый
объем материала матрицы через безразмерную характеристику hв/Rш, где hв – глубина вне-
дрения частицы шлама в материал матрицы; Rш – радиус частицы шлама. Износ сопряжения
«матрица коронки – горная порода» связан с интенсивным дроблением и переизмельчением
частиц шлама минерального происхождения, не упрочняющихся при механическом воздей-
ствии и имеющих характер хрупкого разрушения. В соответствии с этим предельная глубина
внедрения частицы hпред ограничивается условиями ее прочности, и в момент разрушения
(дробления) будет максимальной hр . В момент предельного внедрения частицы шлама с уче-
том ее прочности hв = hпред = hр.
Одним из наиболее распространенных твердых и высокоабразивных породообразую-
щих минералов является кварц. Рассмотрим характер деформаций, возникающих на поверх-
ности материала матрицы при внедрении в нее частиц кварца.
Механические свойства частицы кварца охарактеризуем величиной условным напря-
жением при разрушении ш. При этом ш частиц кварца зависит от их размера и составляет
400–700 МПа [3]. В соответствии с тем, что у наиболее широко применяемых в производст-
венных условиях матрицах коронок матрицы выполнены на основе связок твердостью 25–32
HRС (2550–2900 МПа), для предельных условий
2
в
14,0
25502
700
в
ш
5,0
ш
в
R
Н
НR
h
, (4)
где Нв глубина внедрения, мм; R радиус сферического индентора, мм; (HВ/R)2 – критерий
перехода от пластического деформирования к микрорезанию.
В соответствии с классификацией, приведенной в [4], критерий (HВ/R)2 служит харак-
теристикой нарушения фрикционных связей и оценкой характера преобладающих деформа-
ций при внедрении частицы шлама в материал матрицы, согласно которой из выражения (4)
следует, что гидроабразивный износ поверхности матрицы коронки происходит в большей
степени в результате пластического оттеснения (передеформирования) материала матрицы
из-за упруго-пластических деформаций. Это свидетельствует о том, что частица шлама раз-
рушится раньше, чем будут достигнуты условия, необходимые для осуществления микроре-
зания ею материала матрицы.
С учетом изложенного рассмотрим подробнее стадию взаимодействия частицы шлама
с рабочей поверхностью матрицы при ее расклинивании между торцом коронки и горной
породой. Для этого используем модель, приведенную в работе [2].
При приложении нормальной нагрузки к частице шлама как реакции со стороны забоя
скважины частица будет углубляться в материал матрицы на глубину, которая рассчитывает-
ся по формуле
s
с
SD
h
у2
эквшш
в
(5)
где Dш – диаметр частицы шлама; Sэкв – эквивалентная площадь поперечного сечения частиц
шлама; с -коэффициент, учитывающий повышение несущей способности контакта частицы
шлама с материалом матрицы из-за дополнительных напряжений, действующих в перпенди-
кулярном направлении; s предел текучести материала матрицы; сs = НВ – твердость ма-
териала матрицы по Бринелю.
Выразив Sэкв через диаметр частиц щлама в виде
2
ш
2
экв 65,0
3
DVS ,
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
185
получим
s
с
ш
шDвh
2
4,0 (6)
Двигаясь в зазоре между поверхностями забоя скважины и рабочего торца коронки,
частица шлама деформирует некоторый объем материала матрицы. В целях определения
этого объема примем схему контактирования частицы с матрицей (рис. 2), которая довольно
точно отражает реальные следы износа материала матрицы, подтверждаемые исследования-
ми микрогеометрии ее рабочей поверхности с применением электронного растрового микро-
скопа-микроанализатора «CAMSKAN-4DV».
Рис. 2. Схема контактирования частицы шлама с материалом матрицы
Согласно схеме (рис. 2) прелдельная глубина деформирования hд материала матрицы
по высоте определяется выражением
c
вшcдш
cc
c
д
д
д
6
2
3
2
b
hDblD
lb
F
S
V
h
, (7)
где: Vд – объѐм деформированного и оттесненного материала матрицы; Sд – площадь следа
деформации на рабочем торце коронки; Fс – площадь поперечного сечения следа деформа-
ции; lс - длина следа деформации; lд - длина дуги контакта частицы шлама с поверхностью
матрицы; bc - ширина следа контакта
вшвc
2 hDhb , (8)
o
Dl б1073,8
ш
3
д
, (9)
ш
co
arcsin2б
D
b
, (10)
где:
- центральный угол в град., ограничивающий дугу контакта lд.
Представив соотношение
у
s
ш
у
К
c
как материаловедческий показатель, характери-
зующий сопротивляемость материала матрицы внедрению в него абразивных частиц шлама, с
учетом (6), (8), (9) выражение (7) для определения предельной глубины деформирования мате-
риала матрицы в случае разрушения частицы шлама при ее расклинивании будет иметь вид
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
186
уу
ууууу
3
ш
д
1
5,0125,0125,01arcsin1045,17
6 KK
KKKKKD
h (11)
Из анализа зависимости (11) следует, что глубина деформирования материала матри-
цы в значительной степени обусловлена геометрическими размерами частиц шлама, прочно-
стными характеристиками частиц шлама и материала матрицы.
Зависимости предела прочности частиц шлама и глубины деформирования ими мат-
рицы коронки от размера их зерен показаны на рис. 3.
40 50 60 70 80 90
200
300
400
500
600 Предел прочности частиц шлама
Глубина деформирования
Средневзвешенный диаметр частиц шлама, мкм
П
р
е
д
е
л
п
р
о
ч
н
о
с
ти
ч
а
с
ти
ц
ш
л
а
м
а
,
М
П
а
100
200
300
400
500
600
700
Г
л
у
б
и
н
а
д
е
ф
о
р
м
и
р
о
в
а
н
и
я
,
м
м
х
1
0
-5
Рис. 3. Зависимость предела прочности частиц шлама и глубины деформирования
ими матрицы коронки от размера их зерен
Результаты анализа приведенных данных показывают, что с увеличением размера час-
тиц шлама их предел прочности на сжатие снижается, а глубина деформирования ими мате-
риала матрицы увеличивается. По нашему мнению, это способствует дроблению образующих-
ся при разрушении горной породы крупных частиц шлама при их расклинивании между рабо-
чим торцом коронки и забоем скважины и снижению вероятности дальнейшего их активного
участия в деформировании матрицы, что подтверждается данными, приведенными в таблице.
Выводы
Износ сопряжения «матрица коронки – горная порода» связан с интенсивным дробле-
нием и переизмельчением частиц шлама минерального происхождения, не упрочняющихся
при механическом воздействии и имеющих характер хрупкого разрушения.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
187
При бурении алмазными коронками образуется шлам горной породы различной зерни-
стости, в котором преобладают мелкие зерна фракции. При этом частицы шлама крупного раз-
мера, соизмеримого с высотой выступания алмазов, имеют высокую степень вероятности рас-
клиниваться между забоем скважины и рабочим торцом коронки и активно деформировать мяг-
кий материал матрицы. Снижение предела прочности на сжатие частиц шлама с увеличением их
размера способствует дроблению образующихся при разрушении горной породы крупных час-
тиц шлама при их расклинивании между рабочим торцом коронки и забоем скважины и сниже-
нию вероятности их дальнейшего активного участия в деформировании матрицы.
Определяющую роль в снижении абразивного воздействия частиц шлама играют
прочностные параметры материала матрицы буровой коронки и высота выступания алмазов
на ее рабочей поверхности.
Гидроабразивный износ поверхности матрицы коронки происходит в большей степе-
ни в результате пластического оттеснения (передеформирования) материала матрицы вслед-
ствие упруго-пластических деформаций. Это свидетельствует о том, что частицы шлама раз-
рушатся раньше, чем будут достигнуты условия, необходимые для осуществления микроре-
зания ими материала матрицы.
Литература
1. Исонкин А. М., Богданов Р. К., Закора А. П. Эффективность разрушения горной по-
роды буровыми коронками, оснащенными синтетическими алмазами разной прочно-
сти // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и тех-
нология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. –К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля
НАН Украины, 2006. – Вып. 9. – С. 21–24
2. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Камбалов В. С. Основы расчетов на трение и из-
нос. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.
3. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970. – 252 с.
4. Справочник по трибологии. / Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. – М.: Машино-
строение, 1989. – 398 с.
Поступила 07.06.10
УДК 622.243
Jiang Jinguo, Professor, Exploration Machinery, Wang Dan, Master, Construction Machinery
Faculty of Mechanics & Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan, China
ANALYSIS OF DRILL PIPE TORSIONAL VIBRATION BASED ON SOFTWARE ANSYS
Буровая труба – важная часть в системе бурения скважин. Аналитическим методом
трудно точно проанализировать вибрации буровой трубы в процессе бурения. Это можно
осуществить с помощью программного обеспечения ANSYS. Посредством ANSYS было изу-
чено крутильное колебание снаряда буровой трубы при условии, что глубина вертикальной
скважины не превышает 2000 м. При этом не учитывалось влияние переходников и разме-
ров коронок. В результате были получены законы влияния толщины стенки буровой трубы,
длины удлинителя и буровой трубы на частоту трубы, а также модели первого-
четвертого порядков для анализа крутильного колебания снаряда буровой трубы.
1. Introduction
Drill pipe is a very important part in drilling engineering. Drill pipe, is under complicated
external force in complicated operation condition in the process of drilling, which come into being
various intricate states such as distortion according to kinematics and dynamics [1;2]. Analytic me-
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23405 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:08:22Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Исонкин, А.М. 2011-07-04T13:54:48Z 2011-07-04T13:54:48Z 2010 Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки // А.М. Исонкин // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 182-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23405 622.24 (085). (477.62) The results of assessing the nature and extent of deformation of the matrix material of diamond drill bit cuttings particles destroyed of the rock are resulted 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 Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки Article published earlier |
| spellingShingle | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки Исонкин, А.М. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| title_full | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| title_fullStr | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| title_full_unstemmed | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| title_short | Характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| title_sort | характер и степень воздействия частиц шлама разрушенной горной породы на матрицу алмазной буровой коронки |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23405 |
| work_keys_str_mv | AT isonkinam harakteristepenʹvozdeistviâčasticšlamarazrušennoigornoiporodynamatricualmaznoiburovoikoronki |