Алмазные буровые инструменты

Велика роль алмазов в производстве буровой техники [7]. Как известно, бурение горных пород - процесс весьма сложный и трудоемкий, эффективность которого во многом зависит от производительности бурового инструмента. Применение алмазов для армирования буровых коронок позволило повысить производительность буровых установок в 1,5-2 раза по сравнению с неалмазным бурением.

В настоящее время около 12 % всех технических алмазов расходуют на изготовление буровых коронок, которые применяют для бурения разведочных и эксплуатационных скважин в различных по крепости горных породах. Алмазное бурение имеет ряд преимуществ, которые заключаются в очень высокой производительности (скорость бурения в твердых породах в 2-3 раза выше, чем при обычном способе бурения), в незначительной изнашиваемости оборудования, в строго цилиндрической форме скважин, т. е. в обеспечении постоянного диаметра скважины, в более низкой стоимости бурения. Преимущества алмазного бурения особенно высоки при бурении скважин малого диаметра (до 95 мм). Стоимость бурения при этом на единицу проходки скважины в 4 раза ниже стоимости шарошечного бурения.

Для изготовления буровых коронок применяют мелкие алмазы массой 0,01-0,2 кар, непригодные для огранки в бриллианты. Коронки из мелких алмазов имеют большое число режущих граней, поэтому чем тверже порода, тем предпочтительнее применение коронок с мелкими алмазами. Так, для бурения мягких пород применяют алмазные буровые коронки, в которых на 1 кар приходится 5-15 зерен алмаза, пород средней крепости - 24-40, крепких пород - 40-200 и для весьма крепких пород - до 400 алмазных зерен на 1 кар.

В коронках с мелкими алмазными зернами последние расположены более часто и равномерно. Такие коронки при бурении снимают более тонкий слой породы, и бурение возможно при большей частоте вращения бура, т. е. с большей скоростью. При бурении мягких пород можно снимать более толстый слой и поэтому целесообразно ставить коронки с более крупными алмазами, глубже проникающими в породу.

При изготовлении коронок важно ориентировать кристаллы так, чтобы резание породы происходило в направлении наибольшей твердости кристалла.

Следует отметить, что при длительной эксплуатации буровых коронок кристаллы алмазов могут выпадать из гнезд коронки и теряться. Для извлечения таких кристаллов из скважины используют гидрофобные свойства алмазов и их способность хорошо прилипать к жировым поверхностям. Для этого в скважину опускают заглушку, дно которой обмазывают жиром.

Характеристика алмазов, применяемых для изготовления буровых коронок в США, приведена в табл. 14.

Таблица 14. Классификация алмазов в США для изготовления алмазных буровых коронок

В СССР выпускаются различные алмазные буровые коронки как бескернового бурения (коронки со сплошным вогнутым торцом), так и для колонкового бурения в породах разных категорий крепости. Некоторые формы буровых коронок, армированных природными и синтетическими алмазами, показаны на рис. 12.

Рис. 12. Алмазные коронки, армированные природными или синтетическими алмазами: а - зубчатые для бурения пород средней твердости (слева-общий вид, справа-схема торда и профиль зуба); б - для бурения твердых трещиноватых пород; в - для бурения очень твердых трещиноватых пород; г - для бурения в особо сложных геологических условиях

В зависимости от крепости и степени абразивности горных пород для их бурения применяются буровые коронки, армированные алмазами разной размерности (табл. 15)

Таблица 15. Характеристика крупности алмазов, применяемых в буровых коронках, в зависимости от свойств горных пород

Бурение нефтяных скважин производят так называемыми алмазными долотами с конусообразным или винтообразным торцом. На армирование идут алмазы крупностью, при которой на 1 кар приходится от 20 до 400 алмазных зерен. На одно долото в зависимости от его типа расходуется иногда от 8,3 до 26,2 кар алмазов. Для армирования долот в основном применяют натуральные алмазы, однако ведутся поиски в направлении использования синтетических крупных алмазов (1,4-2,1 мм) с пониженной хрупкостью.