Матрица алмазной коронки

Форма торца	Краткая характеристика, назначение и область применения	Профиль торца
Плоский	Небольшая масса алмазов; для пород средней твердости и твердых, малой абразивности. Матрицы с плоским торцом изготовляются обычно только для импрегнированных коронок. Это объясняется тем, что повышенный износ периферических кромок матрицы в таких коронках не выводит их из строя преждевременно. Напротив, некоторое увеличение высоты матрицы, достигаемое при плоском ее торце, способствует сохранению рабочего диаметра коронки в процессе бурения. Плоский торец имеют, например, импрегнированные коронки типа 03И5, И4ДП, БИТ и др.
Усеченная полусфера	Закругленная режущая часть обусловливает лучшее использование коронки по наружному и внутреннему диаметрам; большая масса алмазов, чем у матриц с плоским торцом. Эта форма применяется в алмазных коронках для бурения колонковой трубой. Радиус закругления торца матрицы всегда больше половины толщины стенки матрицы. Такой профиль торца имеют коронки 01 A3, 02ИЗГ, 20И2Г, 21МЗГ, 14АЗ и др.
Полусфера	Торец матрицы характеризуется тем, что радиус его закругления равен половине толщины матрицы. Полностью закругленная режущая часть позволяет лучше использовать наружные поверхности, т. е. такой профиль позволяет разместить на рабочем торце матрицы большее число алмазов и укрепить периферические части матрицы, которые подвержены усиленному износу, особенно при бурении трещиноватых, весьма твердых и часто перемежающихся абразивных горных пород. Радиус закругления, практически равный половине толщины стенки матрицы, имеют коронки 04АЗ и др.
Прямой полуку­пол (наружный конус)	Несимметричная форма режущей кромки. Такие профили торца матриц обычно используются для толстостенных коронок, применяемых с двойными колонковыми трубами. Форма прямого полукупола позволяет увеличить выход керна при бурении мягких легко разрушающихся горных пород и уменьшить искривление скважины. Скорость бурения несколько выше, чем при использовании матрицы с усеченной полусферой торца.
Пилот	Коронка хорошо сохраняет направление скважины при вертикальном бурении; скорость бурения несколько выше, чем при использовании матрицы с усеченной полусферой торца; применяется в коронках для пород средней твердости
Специальный пилот	То же, что и предыдущая форма; применяется для твердых и средней твердости пород
Двухступенчатая	Применяется для коронок с широким торцом матрицы, используемых с двойными колонковыми трубами. Режущая кромка более ослаблена, чем в предыдущих формах. Применяется для мягких и средней твердости пород
Многоступен­чатая	Наиболее распространенная (стандартная) форма для коронок, применяемых в снаряде со съемным керноприемником. Высокая скорость бурения; хорошо сохраняет направление скважины. Применяется для средней твердости и твердых пород; для очень твердых пород матрица такой формы слаба. Пригодна для коронок с широким торцом матрицы; обеспечивает большую скорость бурения и лучше сохраняет направление скважины, чем полусфера
Обратный полукупол	Пригодна для коронок с широким торцом матрицы (для двойных колонковых труб). Применяется в тех случаях, когда высокая абразивность и раздробленность разбуриваемых пород способствует быстрому, преждевременному износу периферических алмазов по внутреннему диаметру короночной матрицы
Гребешковый	Применяется для коронок при бурении с одинарными колонковыми снарядами и комплексами ССК (коронки 22ИЗГ и др.) в породах средней твердости
Врубовый	Используется для достижения высоких механических скоростей при бурении скважин в осадочных и метаморфических горных породах. Такой профиль имеют коронки KB, КРК, КСТМ

Размер алмазов, шт/кар	5-2	10-5 20-10	30-20
Выступ алмазов из матрицы, мм	0,6-0,5	0,5-0,4 0,4-0,3	0,3-0,25
Размер алмазов, шт/кар	40-30	60-40	90-60
Выступ алмазов из матрицы, мм	0,3-0,2	0,25-0,2	0,2-0,15

Матрица алмазных коронок служит для закрепления алмазов в коронке. От свойств матрицы значительно зависит работоспособность коронки в целом. Матрицы должны удовлетворять следующим требованиям:

• надежно удерживать алмазы во время работы коронки
• обладать достаточно высокой прочностью, обеспечивающей отсутствие ее поломок при оптимальных и специальных режимах эксплуатации коронки
• соответствовать по износостойкости абразивности разбуриваемой породы

Практика алмазного бурения показывает, что не может быть создана одна универсальная матрица, обеспечивающая получение высоких результатов при бурении в породах с различными физико-механическими свойствами. При нормальной работе коронки матрицы должны изнашиваться несколько быстрее алмазов. Если матрица перестанет изнашиваться или будет изнашиваться слишком медленно, то бурение замедлится или даже прекратится после незначительного износа алмазов. Если при бурении матрица будет изнашиваться слишком быстро, то алмазы обнажатся и выпадут из матрицы, не успев износиться.

Поскольку разные горные породы обладают различной способностью изнашивать короночную матрицу, нормальная работа коронки будет обеспечена только при правильно подобранной матрице. Поэтому специализированные матрицы коронок разработаны применительно к группам пород, близких по способности изнашивать матрицы.

Износостойкость матрицы определяется на специальных испытательных машинах и характеризуется величиной потери массы при абразивном износе испытываемого образца за единицу времени. Ориентировочное представление об износостойкости различных матриц дает их линейный износ по высоте при бурении одной и той же породы.

Твердость матрицы, обычно выражаемая в HRC, не является показателем, идентичным износостойкости данной матрицы. Коронки с одной и той же твердостью матрицы могут иметь различную износостойкость, если они изготовлены из различного материала. Кроме того, твердость весьма неоднородных по составу металлокерамических матриц вообще не может быть выражена однозначно. Однако вследствие того, что измерить твердость проще, чем износостойкость, в настоящее время принято для сугубо ориентировочной оценки износостойкости матрицы указывать ее твердость. Эта величина представляет среднеарифметическое число, полученное по 8-10 измерениям в каждом секторе матрицы.

В настоящее время, в основном, изготавливаются коронки с матрицами пяти типов (табл. 2.11).

Тип матрицы	Назначение	Твердость по Роквеллу HRC
Очень мягкая	Бурение в плотных, монолитных, весьма малоабразивных породах	10-15
Мягкая	Бурение в плотных, монолитных, малоабразивных породах	15-20
Нормальная	Бурение в плотных, монолитных мало- и среднеабразивных породах	20-25
Твердая	Бурение в среднеабразивных и абразивных, плотных, монолитных, а также трещиноватых породах	30-35
Очень твердая	Бурение в очень твердых, трещиноватых, весьма абразивных породах	50-55

Размещение алмазов в матрице и их число существенно влияют на работоспособность инструмента. Наряду со свойствами материала матрицы и величиной зернистости алмазов эти факторы определяют специализированное назначение коронки. Основными параметрами, которые характеризуют вооруженность коронок алмазами, являются:

• содержание алмазов в коронке
• насыщенность торца матрицы алмазами
• схема размещения алмазов

Содержание алмазов в коронке определяется общей массой (в каратах) всех алмазов, заложенных в матрицу. Насыщенность торца матрицы алмазами характеризуется числом алмазов, расположенных на единице площади торца (выражается в шт/см ²), или массой алмазов в единице объема алмазоносного слоя матрицы (выражается в кар/см³ ).
В зависимости от размещения и крупности алмазов в матрице различают два основных типа алмазных коронок: однослойные и импрегнированные. Схемы устройства коронок и размещения алмазов в них показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схемы устройства однослойных (а) и импрегнированных (б) коронок.
1, 2 - объемные алмазы; 3 - подрезные алмазы; 4 - материал матрицы; 5 - корпус коронки.

В однослойных коронках алмазы по торцу матрицы располагаются в один слой по определенной схеме. Кроме торцевых алмазов, выполняющих основную работу по разрушению породы на забое, матрица армируется двумя-тремя слоями так называемых подрезных алмазов. Подрезные алмазы в коронках всех типов предохраняют их от быстрого износа по наружному и внутреннему диаметрам.

Однослойные коронки имеют наибольшее число разновидностей типов и марок.

В импрегнированных коронках в качестве основных рабочих камней используются алмазы мелких фракций или алмазы, полученные после дробления более крупных фракций. Размер применяемых алмазов обычно составляет 400-120 шт/кар и мельче (до 1200-600 шт/кар). Мелкие алмазы равномерно распределены в импрегнированных коронках по всему объему рабочего слоя матрицы и называются объемными алмазами. Работа импрегнированных коронок основывается на принципе самозатачиваемости. Такие коронки снабжаются более крупными подрезными алмазами. По внутренней и наружной боковым  поверхностям матрицы& коронки армируются подрезными алмазами более крупных размеров, чем объемные. Это алмазы крупностью 30-20, 50-30 и 60 - 40 шт/кар.

Схема размещения торцевых алмазов в однослойных коронках выбирается в зависимости от размеров используемых алмазов, конфигурации промывочных окон и выбранной насыщенности. В целом выбор той или иной схемы размещения алмазов определяется физико-механическими свойствами горных пород, для бурения которых предназначается данная коронка. На рис. 2.4 приведены схемы размещения алмазов в некоторых коронках.

Рис. 2.4. Типовые схемы размещения алмазов в матрице однослойных коронок.
а - радиальная; б - спиральная; в - концентрическая.