Библиотека

6. АЛМАЗНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Алмазный породоразрушающий инструмент для бурения разведочных скважин подразделяется на породоразрушающий инструмент для колонкового бурения с отбором керна и алмазные долота для бескернового бурения.

Комплект алмазного породоразрушающего инструмента для колонкового бурения состоит из алмазной коронки и расширителя.

Выпускаются алмазные коронки различных типов: для бурения с одинарными колонковыми трубами, двойными колонковыми трубами для комплексов ССК, КССК и специального назначения. Алмазные расширители служат для калибровки диаметра скважины и стабилизации работы алмазной коронки.

Для армирования алмазного породоразрушающего инструмента применяются природные и синтетические алмазы.

6.1. СВОЙСТВА АЛМАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ КОРОНОК, ДОЛОТ И РАСШИРИТЕЛЕЙ

Алмазы встречаются в природе в виде кристаллов или их обломков и сростков различных кристаллических форм. Размеры природных кристаллов различны и колеблются от десятых долей миллиметра до 6 мм. Редко встречаются крупные алмазы в виде кристаллов, достигающих размеров нескольких сантиметров.

Кристаллы алмаза имеют различную форму: куба, октаэдра, ромбододекаэдра или переходных между ними форм.

Форма кристалла алмаза определяется строением его кристаллической решетки. Пространственная решетка алмаза представляет собой систему одинаковых плотно уложенных параллелепипедов, вершины которых называются узлами. Плоскости, проходящие через три узла, составляют плоскую сетку. В природных алмазах вершины кристаллов соответствуют узлам, грани — плоским сеткам, а ребра — рядам узлов. Поскольку межплоскостные расстояния в алмазах разных форм различны, то алмаз легче раскалывается по плоскостям или его граням. По другим направлениям алмаз колется труднее. Свойство алмаза раскалываться по определенным направлениям называется спайностью.

Алмаз - самый твердый минерал, является кристаллическим углеродом с очень плотной атомной решеткой. При высокой температуре алмаз превращается в графит - минерал с резко отличающимися от алмаза механическими свойствами.

Алмаз имеет твердость по шкале Маоса, равную 10; его микротвердость находится в пределах 95 000-100 600 МПа, т.е. алмаз является наиболее твердым минералом, что определяет его применение для бурения хрупких абразивных и твердых пород. Твердость алмаза на разных гранях кристалла различна - наименьшую твердость имеет грань куба. Несколько большей твердостью обладает грань ромбододэкаэдра и самой высокой твердостью - грань октаэдра. Это свойство алмаза объясняется неравномерным расположением атомов в плоских сетках алмазов различных форм и называется анизотропией. Анизотропия твердости учитывается при изготовлении алмазного породоразрушающего инструмента с ориентированной установкой алмазов в буровых коронках.

Плотность алмазов зависит от включений и примесей в нем, а также от пористости и колеблется от 2,9 до 3,55 г/см³ .

Стойкость алмаза находится в прямой зависимости от коэффициента теплопроводности X. Чем больше значение λ , тем меньше нагрев алмаза, тем менее интенсивно проходят окислительные процессы на поверхности его режущих кромок. Коэффициент теплопроводности алмаза λ = 1,465-10 2 Вт/(м °С), или в 2,5 раза больше, чем у твердого сплава ВК8. Поэтому при соответствующем охлаждении алмазами можно вести бурение с очень высокими окружными скоростями без их графитизации.

Графитизация алмаза в обычной атмосфере начинается при 900-1000 °С. В кислороде алмаз сгорает полностью; в среде водорода, азота и глубоком вакууме алмазы можно на гревать до 1300—1500 °С. Алмаз имеет высокий показатель преломления, который придает ему алмазный блеск. Показатель преломления алмаза зависит от цвета лучей. Для красного цвета его значение составляет 2,402, для желтого - 2,417, для зеленого - 2,427 и для фиолетового - 2,465. Показатель преломления воздуха равен 1, воды - 1,33, топаза - 1,62, корунда - 1,77, фианита - 2,2. Отсюда видно, что алмаз обладает наиболее высоким показателем преломления среди прозрачных тел.

При действии катодных, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей прозрачные алмазы начинают светиться различным цветом. Это свойство называется люминесценцией. Цвет люминесцирующих алмазов колеблется от зеленого и желтого до голубого или синего и несветящегося. Исследования показали, что алмазы с различным свечением имеют разные физико-механические свойства. Наиболее высокая статическая прочность на сжатие у несветящихся алмазов, затем у голубых, зеленых, желтых и розовых. Наибольшая динамическая прочность у кристаллов с розовым, затем с зеленым, желтым и голубым свечением. Наименьшую прочность на удар имеют несветящиеся алмазы. Исследования алмазов с различным свечением на истирание установили, что алмазы, светящиеся зеленым цветом, имеют наибольшую износостойкость.

Механические свойства алмазов и других твердых материалов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Сравнительная характеристика механических свойств некоторых твердых материалов в Па

У алмаза низкая прочность на изгиб, поэтому требуется хорошая защита алмазов в матрицах буровых коронок. Алмаз -очень хрупкий минерал. При ударе он легко раскалывается по плоскостям спайности, параллельным граням октаэдра. Поэтому в процессе бурения с алмазным породоразрушающим инструментом нужно обращаться весьма осторожно.

Износостойкость алмазов по различным кристаллографи ческим направлениям колеблется в широких пределах; средняя износостойкость в несколько раз выше износостойкости широко известных абразивных материалов - карбида кремния и карбида бора. Абразивная способность материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного абразива. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида бора составит 0,5-0,7, карбида кремния - 0,2-0,4, а электрокорунда - 0,15.

Алмаз не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к жировым смесям. Поэтому применение поверхностно-активных веществ, эмульсий улучшает смачиваемость алмаза и предохраняет его от абразивного износа. Кислоты, даже самые сильные, не действуют на алмаз.

По назначению алмазы делятся на ювелирные и технические. К ювелирным относятся алмазы кристаллической формы, прозрачные, без трещин и включений, пятен и других изъянов. К техническим алмазам относятся остальные камни кристаллической формы, а также агрегатные разновидности.

Технические алмазы высокого качества (XV группа) применяют в коронках без предварительной обработки. Технические алмазы низкого качества (XX группа) обязательно предварительно обрабатывают с целью разделения по форме и размерам, а также для выделения алмазов с более высокими прочностными свойствами. При этом алмазы подвергают дроблению, овализации, полированию, термической обработке и металлизации.

Технические алмазы подразделяют на три группы, характеризующие их морфологические особенности и буровые качества: карбонадо, балласы и борты.

Карбонадо - минералы светло-серого, коричневого или черного цвета, тонкозернистые, с тусклым или металлическим оттенком. Благодаря скрытокристаллическому строению и отсутствию спайности они отличаются большой прочностью, вязкостью и надежны в работе.

Балласы - мелкозернистые агрегаты округлой формы, мутно-белого, серого и коричневого цвета, отличающиеся лучистым крупнокристаллическим ядром и мелкозернистой твердой оболочкой. Вследствие высокой твердости оболочки балласы широко применяют в расширителях и однослойных коронках.

Борты представлены кристаллами неправильной формы или сростками, Борты окрашены в желтый, коричневый и серый цвета. Они являются основным сырьем для армирования алмазных коронок.

"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей