Предварительная обработка алмазного сырья

Как отмечалось, для технических целей используются мелкие алмазные зерна, имеющиеразличные дефекты: трещины, наросты, сростки, включения, поры и т.п. Если такие камниприменять в буровом инструменте без предварительной обработки, то они будут разрушаться на забое, и в процессе бурения и коронка быстро выйдет из строя. Только 4 – 6% добываемых бортов можно применять без обработки, а 95% необходимо обрабатывать.

Применяют следующие виды предварительной обработки алмазного сырья:

1. Избирательное дробление Трещиноватые камни раскалываются по трещинам на более мелкие, но уже без трещин и, следовательно, более прочные (масса алмазных зерен разгоняется потоком воздуха и ударяется о чугунную плиту с определенной силой, чтобы трещиноватые камни раскалывались, а целые оставались).

2. Овализация. Камни с наростами, неправильной формы сростки, с выступающими удлиненными частями в коронках будут быстро разрушаться и разрушать другие резцы, поэтому алмазным резцам придают наиболее устойчивую наиболее прочную и износостойкую форму – овальную. Для этого зерна алмазов помещают во вращающийся барабан с жидкой средой, где они трутся друг о друга и приобретают овальную форму.

3. Полирование. И необработанные и овализованные природные алмазы имеют неровнуюили шероховатую поверхность, что снижает их прочность и за счет большего трения увеличивает износ. Для устранения мелких неровностей и шероховатости алмазные зерна полируют – применяется механическое, химическое или газопламенное полирование. При механическом полировании алмазные зерна вращают в барабане с суспензией алмазного порошка, наростыи шероховатость стираются, и поверхность зерен становится гладкой. Химическое полирование происходит в расплаве подогретых солей, газопламенное позволяет сжигать, как бы слизывать выступы и шероховатость. Кроме получения гладкой поверхности при полировании залечиваются микротрещины па поверхности зерен, что дополнительно повышает прочность и износостойкость алмазов.

4. Металлизация. Различными способами на поверхность алмазных зерен наносится тончайший слой металла (обычно меди, входящей в состав матрицы коронки), Это позволяет повысить адгезию и прочно удерживать алмаз в матрице, он как бы припаивается.

5. Гранулирование. При использовании мелких алмазиков в импрегнированных коронках их необходимо равномерно разместить в объеме матрицы. При простом перемешивании алмазиков в порошке твердого сплава, образующего матрицу, алмазы могут оказаться размещенными неравномерно, и это снизит работоспособность коронки. Гранулирование заключается в том, что алмазные зернышки обмазывают клеем (который потом испарится) и смешивают с порошком матрицы, на алмазики налипают частицы порошка, получаются шарики-гранулы, внутри которых алмазное зерно. Весь объем алмазосодержащей части матрицы состоит из таких гранул, которые затем прессуются и пропитываются расплавом меди. Получается идеально равномерное размещение алмазов в матрице. Еще лучше двойное гранулирование, когда поверх порошка твердого сплав наносится слой порошка мельчайших алмазов.

Термообработка - применяются два прямо противоположных вида температурной обработки алмазного сырья: отпуск и криогенная обработка.

6.Отпуск Известно, что и природные и синтетические алмазы рождаются при огромных давлениях и температурах (более 10000 °С), поэтому в алмазных кристаллах часто остаются внутренние напряжения. Такие кристаллы могут разрушаться даже при незначительных ударах. Чтобы снять внутренние остаточные напряжения кристаллы нагревают в нейтральной среде (аргон, водород) до температуры 920-940 С^о, и затем медленно остужают. Напряжения снимаются, и прочность алмазов заметно увеличивается.

7. Криогенная обработка – заметное упрочнение алмазных зерен происходит, если их охладить до температуры – 196 С^о, помещая их в жидкий азот. Упрочнение алмазов (и твердого сплава тоже) происходит за счет уплотнения кристаллической решетки.

Алмазные коронки

Как уже указывалось, для алмазных буровых коронок применяют мелкие фракции алмазногосырья. Размеры алмазных зерен указываются либо в линейной величине в мкм, либо в зернистости в штуках на карат (шт/кар), т.е. сколько алмазных зерен приходится на один карат равный 0,2 грамма. Чем больше число зернистости, тем мельче алмазные зерна. В серийных алмазных коронкахиспользуются природные или синтетические алмазы с размерами зерен от 10 - 20 шт/кар (примерно 2,0 – 3,0 мм.) до 600 шт/кар (примерно 0,5 мм) в некоторых типах коронок применяют значительно более мелкие алмазы до 2000 шт/кар. и даже алмазные порошки зернистостью до 10.000 – 12.000 шт/кар. (0,16 – 0,12 мм.) Соотношение зернистости и линейных размеров алмазных зерен приведены в табл. 1

Таблица 1

Алмазная коронка состоит из стального корпуса с резьбой и внутренней конической расточкой для кернорвательного кольца и приваренной (припаянной) в процессе изготовления алмазосодержащей матрицей. Матрица изготавливается из порошка твердого сплава ВК-6 или ВК-8, в котором размещаются зерна (резцы) алмазов и который пропитывается расплавленной медью (никелем). Расплавленная медь припаивает матрицу к корпусу. В зависимости от размеров алмазов и их размещения в матрице имеется два типа алмазных коронок: однослойные и импрегнированные. Раньше еще выпускались многослойные коронки, сейчас практически не применяются.

Однослойные алмазные коронки предназначены для бурения в породах VII – Х категорий по буримости, импрегнированные для пород Х – ХII.

а

б

Рис. 1 Алмазные коронки а – однослойная, б – импрегнированная

1 – корпус коронки; 2 – матрица; 3 – подрезные алмазы; 4 – торцевые алмазы

5 – объемные алмазы; 6 – циркуляционный канал

Однослойные алмазные коронки (обозначаются буквой – А) оснащаются «объемными » алмазами размером от 1600 мкм до 2500 мкм (20 – 60 шт/кар.), размещенными в матрице по торцу и выступающие из матрицы на 0,1 – 0,3 от своего линейного размера. На наружной (а иногда и на внутренней) стороне матрицы размещаются «подрезные » алмазы обычно зернистостью 20 – 40 шт/кар. Это алмазы лучшего качества, обеспечивающие сохранение наружного диаметра коронки и соответственно диаметра скважины.

Многослойные коронки (буква- М) выпускались ранее, оснащались объемными алмазами зернистостью40 – 90 шт/кар, один слой по торцу коронки, далее в глубине матрицы от двух до пяти слоев. Работает такая коронка по принципу самозатачивания – когда «стирается» один слой алмазов, стираетсяи матрица и обнажаются рабочие грани следующего слоя алмазов. Сейчас практически не выпускаются, полностью заменены импрегнированными коронками.

Импрегнированные коронки (буква – И) оснащены мелкими алмазами от 90 – 120 шт./кар.до 600 шт./на кар. (серийные) и до 1200 и даже до 12000 шт./кар. (с мелкими фракциями алмазов и порошковые) Подрезные алмазы, как и в однослойных, хорошие и крупные. Объемные алмазы равномерно распределены внутри алмазосодержащего слоя матрицы высотою обычно 4 мм., иногда 6 мм., работают по принципу самозатачивания.

Кроме типа алмазные коронки различаются по целому ряду других признаков: конструкция коронки (форма торца матрицы, число и геометрия промывочных каналов, форма размещения алмазов и наличие их выступа из торца), качество и размер объемных и подрезных алмазов, твердость матрицы и другие. Твердость матрицы имеет самостоятельное значение, поскольку скорость ее износа обеспечивает равномерность износа объемных (рабочих) алмазов. В однослойных коронках она должна изнашиваться чуть медленнее, чем алмаз, чтобы избежать выпадание алмазов из матрицы, в импрегнированных коронках матрица должна изнашиваться чуть быстрее алмаза, обеспечивая обнажение новых алмазов взамен полностью изношенных.

По твердости было предложено 5 вариантов матрицы. Табл. 2. (твердость по Роквеллу НRС)

Таблица2

Матрицы с 1 и 2твердостью, оказались слишком слабые и практически не применяются.

Основной объем алмазных коронок выпускается с 3 и 4 твердостью матрицы и очень редко с 5 твердостью (один тип коронок -03И5).

Работоспособность алмазной коронки кроме типа конструкции, качества и зернистости алмазов зависит еще и от «насыщенности» ее алмазами, т.е. от количества алмазов в единице объема в 1 см³матрицы. 100% насыщенности считается при 4,4карата алмазов в 1 см³ матрицы. Работоспособность коронки повышается, если удастся повысить насыщенность до 150 – 175 %не снижая прочности закрепления алмазов в матрице за счет повышения адгезии.

Общее количество алмазов в типичных алмазных коронках диаметром 46 – 76 мм составляет от 4 до 20 карат, среднее 10 – 12 карат.

Алмазные коронки применяются в весьма различных по своим свойствам породамот VI до ХII категорий по буримости при различной абразивности и трещиноватости. Для каждой группы пород должна быть подобрана наиболее подходящая коронка по типу, конструкции, сорту и размеру алмазов, по твердости матрицы. Чтобы это обеспечить имеется боле 50 вариантов только серийных коронок и еще столько же, разработанных другими отечественными организациями. От правильного выбора конкретной алмазной коронки для данных конкретных геологических условий во многом зависит эффективность – скорость углубки, проходка за рейс, износ алмазов, т.е. производительность и себестоимость. Правильный выбор алмазной коронки одна из наиболее важных задач технологии алмазного бурения.