Алмазные коронки

Основными конструктивными элементами алмазной коронки (рис. 2.3) являются матрица и короночное кольцо или корпус с конусной проточкой К и резьбовой частью. Корпус коронки служит для закрепления матрицы, несущей алмазные резцы. Резьбовая часть предназначена для присоединения коронки к буровому сна­ряду. Конусная проточка К служит для размещения кернорватель-ного устройства или заклиночного материала при отрыве керна от забоя.

Короночные кольца характеризуются стандартными парамет­рами: диаметрами кольца d, du d2 и резьбы di% dA> общей длиной или высотой кольца Ьъ длиной гладкой L2 и резьбовой частей L3, конусностью К проточки и др. Стандартные величины длин L2 — 45 мм и L3 = 30 мм для всех диаметров кольца. Профиль резьбы короночного кольца стандартный по ГОСТ 6338—77. Алмазные коронки характеризу­ются стандартными параметрами наружным D и внутренним Dxдиаметрами и общей высотой L.

В практике бурения геологоразведочных скважин используют алмазные коронки, изготовляемые как для одинарных колонковых снарядов (ОКС), так и для двойных (ДКС), а также снарядов со съемным керноприемником (ССК). Кроме того, в отдельных слу­чаях выпускают коронки с матрицей нестандартной геометрии для выполнения специальных работ. Корпусы коронок для ДКС, ССК и специальных снарядов обычно отличаются от стандартных по некоторым параметрам. Некоторыми особенно­стями отличаются и коронки, предназначенные для бурения с продувкой или с эрлифтной промывкой, в частности, формой, количеством и расположением циркуляционных каналов (окон).

По размещению алмазов в матрице коронки могут быть однос­лойными (А), многослойными (М) и импрегнированными (И), предназначенными для бурения в различных по свойствам породах.

Матрицы алмазных коронок могут иметь различную геометрию. У алмазных коронок для ОКС, выпускаемых серийно, матрица может иметь одну из двух основных геометрических форм торцовой рабочей части: плоскую или овальную. Овальная форма  характеризуется радиусом закругления торца матрицы R. Наиболее распространенной является форма усеченной полусферы, когда радиус закругления R больше поло­вины толщины / кольца матрицы. Торец матрицы может иметь форму полусферы, когда ее радиус равен половине толщины кольца. Используют коронки с такой формой матрицы в условиях интенсивного износа ее периферийной части. Полусфе­рическая форма позволяет увеличить количество алмазов, распо­ложенных в наиболее изнашивающейся области матрицы коронки. Матрицы с плоским торцом характерны для импрегнированных коронок.

Коронки для ДКС, ССК и специального назначения имеют утолщенную матрицу с различной геометрией торцовой части — стандартной и более сложной формы: пилот, специальный пилот, двухступенчатой формы, в виде двойного конуса и в виде обратного полукупола (рис. 2.4, к) и др. Считается, что форма прямого полукупола способствует сохранению керна при бурении в мягких, легко разрушаемых породах и умень­шению интенсивности искривления скважин. Коронки с матрицей в виде обратного полукупола предназначены для бурения в сильно­абразивных и разрушенных породах, когда интенсивно изнашива­ются внутренние кромки торца матрицы.

Обычно матрицы алмазных коронок имеют вид сплошного кольца или отдельных элементов определенной формы, называемых штабиками, которые крепятся в торце короночного кольца. Коронки, предназначенные для бурения в породах ниже средней твердости, имеют рабочую часть зубчатой формы. Размещение алмазных зерен в коронках определяется ее конструкцией, насыщенностью матрицы алмазами, их зернистостью, конфигурацией промывоч­ных каналов и физико-техническими свойствами горных пород. Сочетание объемных и подрезных алмазов по их качеству и зернис­тости определяется в соответствии с ТУ2-037-79-88.

Изготовление алмазных коронок осуществляют различными методами, наиболее широко из которых используются два —метод инфильтрации (пропиткой расплавленными металлами заранее спрессованной матрицы) и метод горячего прессования (пропиткой металлом матрицы в процессе ее прессования). Если используются штабики с алмазами, то они после изготовления припаиваются к короночному кольцу или расширителю с помощью меди марки МО или Ml в процессе пропитки матрицы.

Весь изготовляемый алмазный ПРИ маркируют в соответствии с ТУ2-037-79-88. Индекс, устанавливаемый на каждой коронке, состоит из четырех частей. Например: 01АЗ-Б20-Е20-№3437АИ2. Первая часть (до черточки) определяет конструкцию коронки —01 (первая конструкция); буква А — однослойная (может быть М — многослойная, И —импрегнированная); цифра 3 —тип матрицы (в данном случае нормальная). Вторая часть характеризует сорт и зернистость торцовых или объемных алмазов: Б —алмазы XV группы, подгруппы «а», 1 качества; 20 — зернистость подрезных алмазов, шт/кар. Третья часть шифра определяет сорт и зернистость подрезных алмазов. Четвертая часть: №3437 —пас­портный заводской номер коронки; АИ — завод-изготовитель (в данном случае Кабардино-Балкарский завод алмазных инструмен­тов). Наконец, последняя цифра 2 указывает, что коронка изго­товлена во втором квартале года.

В ряде случаев алмазным ПРИ присваивают нестандартные шифры, в особенности, если они имеют специальное назначение, например, для ДКС (коронки КДТ, КУТ, КАТ, КИТ, АДН, ИДН, ДЭА) и ССК (коронки типа К, КАСК). Иногда в шифр вводят буквы, отражающие конструктивные элементы: К — конусная форма рабочей части матрицы; Р — матрица резцовой формы; 3 — матрица зубчатой формы; Т — тонкостенная коронка; или буквы, опреде­ляющие назначение ПРИ, например: Н —для направленного бу­рения; ДТ —для двойных труб (ДКС). В некоторых случаях буквой Д обозначают алмазное долото.

Все современные алмазные коронки, как указывалось ранее, делятся на три основных типа (однослойные, многослойные, и импрегнированные) с нормальной и уменьшенной толщиной мат­рицы, которые, в свою очередь, подразделяются на ряд разновидно­стей по многим признакам, в зависимости от назначения и условий работы: для бурения в твердых монолитных породах, в породах очень твердых, в породах трещиноватых, высокоабразивных и пере­межающейся твердости; для бурения с продувкой, с эрлифтом или обратной схемой промывки; для специальных снарядов НБ, ДКС, ССК, КССК и др.

Однослойные алмазные коронки служат для бурения скважин в породах от средней до высокой твердости (VIII—IX категории по буримости). Изготовляются однослойные коронки двух видов —с заданной величиной выпуска алмазных зерен и развитой цирку­ляционной системой (рис. 2.5) и без заданного выпуска алмазов с нормальными промывочными каналами. К первому виду относятся коронки 04АЗ, 05АЗ, 06АЗ, 07АЗ, А4ДП, 10АЗ, 15АЗ, 16АЗ (зубчатые), ко второму — 01АЗ, 01А4, 12АЗ и 14АЗ, КДТ4А, КДТ-ОЭ и др.

Однослойные коронки с заданным выпуском алмазных резцов (табл. 2.3) предназначены для бурения малоабразивных и аб­разивных в основном плотных монолитных или слаботрещино­ватых средне- и крупнозернистых горных пород VIII—IX категорий по буримости. Коронки имеют стандартную нормальную матрицу твердостью HRC = 20—25 и заданный выпуск алмазных резцов в пределах 20—30% от их среднего линейного размера. В качестве торцовых резцов используются обычно алмазы XV или XXXV группы, зернистостью от 3—4 до 120—200 шт/кар и более, а в качестве подрезных — алмазные зерна XV или XXXIV группы зер­нистостью от 4—5 до 40—60 шт/кар.

Однослойные коронки без заданного выпуска алмазных резцов предназначены для бурения в породах VII—X ка­тегорий по буримости одинарными или двойными колонковыми снарядами. К этому типу относятся коронки 01АЗ, 01А4, 02АЗ, КДТ-ОЭ, КДТ-4А и др. (см. рис. 2.6). Матрица у коронок стан­дартная с твердостью HRC = 20+25 или 30+35. В качестве тор­цовых резцов используют алмазы XV или XXXV групп зернис­тостью от 20 до 90 шт/кар, а в качестве подрезных — алмазы XV или XXXIV группы зернистостью от 10 до 60 шт/кар.

Многослойные коронки отличаются тем, что их матрица содержит несколько слоев объемных алмазов. Такие коронки в настоящее время промышленностью не выпускаются.

Импрегнированные алмазные коронки отличаются размеще­нием объемных алмазов по всему телу матрицы. Изготовляют такие коронки в основном методом холодного прессования. При этом алмазные зерна предварительно смачивают глицерином или касторовым маслом и затем перемешивают с шихтой матрицы. Глицерин или масло обволакивает каждое зерно алмаза тонкой пленкой, к которой прилипают частицы шихты, образуя порош­ковую оболочку или «рубашку». Это обеспечивает более равномерное распределение мелких зерен алмазов по всему объему матрицы коронки. Для изготовления импрегнированных коронок применяют мелкие фракции алмазных зерен размером 0,5—0,9 мм в попе­речном сечении. В связи с этим выпуск алмазных зерен составляет 0,04—0,07 мм, и работа коронок такой конструкции существенно зависит от абразивности пород. В малоабразивных породах торец матрицы быстро полируется, а в чрезмерно абразивных — быстро изнашивается. Поэтому для обеспечения эффективной работы та­ких коронок особенно важно подбирать матрицу по износостой­кости. В зарубежной практике выпускаются импрегнированные коронки с твердостью матрицы в широком диапазоне (HRC = 5-5-60).

У нас в стране разрабатываются коронки с матрицей, имеющей твердость HRC = 10+15 и 15+20. В качестве объемных резцов используют алмазы XV и XXXV групп зернистостью от 120 до 400—600 шт/кар, а в качестве подрезных — алмазы XV или XXXIV группы зернистостью от 30—40 до 60—90 шт/кар.

Для изготовления импрегнированного ПРИ широко используют порошки синтетических алмазов АРС-3, АРС-4 и монокрис­таллических алмазов АС-50, АС-65, АС-80, АС-100, АС-105Т, АС-132Т.

В связи с тем, что импрегнированные коронки имеют от 8 до 15 алмазосодержащих взаимно перекрывающихся слоев (при толщине слоя 4—5 мм), углубка на коронку может достигать больших величин при благоприятном износе матрицы, практически на всю ее высоту без снижения механической скорости бурения. Предназначены импрегнированные коронки для бурения абразив­ных трещиноватых и монолитных пород IX—XII категорий по буримости. Промышленностью выпускается целый ряд коронок этого типа: 02ИЗ, 02И4, 03И5, И4ДП, КИТ, ИКС, БСИ (БС-03, БС-04, БСГ05, БС-06, БС-17, БС-18).

Кроме обычных типов изготовляют импрегнированные коронки с гранулированными алмазными зернами. Гранулы образуют мат­рицу коронки с равномерно распределенными зернами алмазов по всему объему. Окончательно матрица коронок формируется методом инфильтрации. В шифр таких коронок вводится буква Г (02ИЗГ, 02И4Г). Коронки БСИ имеют матрицу с гранулирован­ными алмазами, а в качестве подрезных резцов — вставки из сверх­твердого материала славутич.

     Специальные алмазные коронки для бурения сква­жин снарядами со съемными керноприемниками типа ССК и КССК отличаются утолщенной матрицей, а для ССК еще и на­личием внутренней присоединительной резьбы на удлиненном корпусе коронки. Форма матрицы может быть ступенчатой, зуб­чатой или комбинированной. Коронки для ССК могут быть с зубчатой или ступенчатой матрицей, имеющей твердость HRC = 25+35 (рис. 2.7). Торцовые зерна алмазов располагаются в один слой с заданным выпуском (около 30% от диаметра зерна). В качестве торцовых резцов используются алмазы XV или XXV групп зер­нистостью 10—20, 20—30 и 120—400 шт/кар. Подрезные алмазы, устанавливаемые на ребрах матрицы, XXXIV группы имеют зер­нистость в основном 20—30 шт/кар.

Промышленностью выпускаются специальные коронки типа К и КАСК: для ССК-46 (К-90, К-90-1, К-90-2); для ССК-59 (К-0,1 К09И2Г, К-01-1, К-01-2, К-01-3, К-02, К-08); для ССК-76 (КАСК-4С, КСК-К, КАСК-Р, КАСК-3) и для КССЖ-76 (К-16, К-18, К-30, К-41, К-45).

Алмазные коронки для бурения с продувкой сжатым воздухом имеют хорошо развитую поверхность ох­лаждения, обеспечивающую необходимые условия теплообмена на забое. Это достигается приданием ребристой формы матрице ко­ронок и увеличением числа и сечений циркуляционных каналов. Такие коронки были разработаны ЦНИГРИ и ВИТРом для одинарных (а) и двойных (б) колонковых снарядов. Коронки для ДКС отличаются конструкцией корпуса (увеличена длина внутренней резьбы), параметрами и геометрией матрицы. Коронки армируют природными или синтетическими алмазами.

Коронки для бурения с эжекторными колон­ковыми снарядами (ЭКС) созданы с учетом определенных условий их применения: трещиноватость или раздробленность по­род, их высокая абразивность, обратная циркуляция и изменя­ющийся расход промывочной жидкости. Для одинарных снарядов были разработаны алмазные коронки ОЭА и ОЭИ, а для ДКС — коронки ДЭИ, ДЭА и др.

 Конструкции коронок с резцами из синтетических алмазов и сверхтвердых материалов

В ряде организаций разработано большое количество коронок с использованием синтетических алмазов и сверхтвердых материалов: КАИ, БСС, АКС, ИКС, ЛКР, КСК, ДКР, КС, КСАВ и др.

Коронки КАИ, импрегнированного типа, оснащают синтетичес­кими алмазами размером 0,2—0,4 мм. Матрица коронок повышенной износостойкости с твердостью HRC = 5+30. Коронки имеют раз­витую промывочную систему, состоящую из 8 и 12 каналов у коронок диаметром 59 и 76 мм соответственно. Предназначены такие коронки для бурения пород VII—X категорий по буримости.

Коронки КСК армируют синтетическими алмазами АСПК (поликристаллические карбонадо). Предназначены эти ко­ронки для бурения пород VI—VIII, частично V и IX категорий по буримости. Коронки имеют хорошо развитые промывочные окна. Масса синтетических алмазов составляет 19—21 кар.

Коронки ЛКР армируют резцами из эльбора-Р. Резцы, имеющие диаметр и высоту 4 мм, устанавливают группами в торце утол­щенного короночного кольца с достаточно большим выпуском, что обеспечивает их хорошее охлаждение. Твердость материала резцов HRC = 90+100. Конструкция коронки допускает трех и четырехкратную перезаточку резцов, что существенно повышает общую проходку на коронку. Предназначены такие коронки для бурения пород VII—XI категорий по буримости, вплоть до оквар-цованных железистых образований (железистые кварциты, гемати-томартитовые роговики).

Коронки КСАВ армируют резцами из синтетических алмазов поликристаллического строения (СВСП). Резцы имеют цилиндрическую форму размером 3,5 * 4,0 или 4,0 * 4,0 мм с массой 0,6—0,8 кар. Коронки диаметром 59 мм имеют по четыре сектора, в которых устанавливается по три режущих элемента. При работе в сильно абразивных породах алмазные вставки хорошо обнажаются и разрушают породу.

Коронки КС-76 вооружены синтетическими поликристалли­ческими алмазами СВСП. Торцовые алмазы имеют зернистость 1—2 шт/кар, а подрезные —до 12 шт/кар. Твердость матрицы IIRC = 30-40.