Условия работы бурового инструмента

Инструменты при бурении и ремонте скважин работают в очень сложных условиях: высокие статические и динамические нагрузки; повышенное давление, температура; абразивная и коррозионная активность окружающей среды; отсутствие контроля за текущим состоянием, а зачастую и за параметрами взаимодействия инструмента с объектом; реализация высоких удельных мощностей; перегрев и катастрофический износ рабочих поверхностей режущих (рабочих) элементов и др.

При работе фрезеров образуются большие объемы металлической стружки, склонной к локальным скоплениям, осаждению, образованию сгустков (комков) с последующими возможными авариями и осложнениями.

В ряде случаев буровые инструменты работают при отсутствии забоя (фрезерование торца трубы, сплошное вырезание участков обсадных колонн), что еще в большей мере усугубляет проблемы выноса шлама и стружки. Часто инструменты (долота, фрезеры, райберы) зависают на центре, что резко уменьшает эффективность их работы.
Поэтому при выборе состава и свойств промывочной жидкости, режима ее течения, конструкции системы промывки и схемы размещения резцов у инструментов необходимо учитывать интенсивность охлаждения резцов, вынос шлама и стружки, предупреждающие зависание инструмента. Представляет большой интерес система промывки инструмента с закрученными струями. При фрезерных работах по металлу в систему очистки на поверхности включается магнитная ловушка для сбора металлической стружки.

Необходимо отметить, что повышение смазывающих свойств промывочной жидкости благоприятно скажется на работе всех элементов инструментов. В то же время необходимо учитывать, что при этом разрушение породы и фрезерование металла не должны носить поверхностный характер, тогда смазочная добавка может оказать отрицательный воздействие.

Как правило, режущие элементы инструментов выходят из строя неравномерно по рабочей поверхности инструментов. Выход из строя режущих элементов связан с их износом и разрушением. Неравномерность выхода из строя резцов резко уменьшает коэффициент полезного использования запаса вооружения и технико-экономических показателей работы инструментов (в отдельных случаях инструмент выходит из строя в связи с износом или разрушением резцов — около 10...15%). Причин неравномерного выхода из строя резцов много, в том числе такие, как материал и свойства резцов, их форма, схема размещения по рабочей поверхности, распределение силовых и энергетических параметров взаимодействия, температура нагрева и др..

На сегодняшний день резцы (рабочие элементы) рассматриваемых инструментов изготавливаются из твердых сплавов (зерновые или литые), алмазов (природных и синтетических) и композиционных материалов, отличающихся как по составу и свойствам, так и по стоимости. Основные эксплуатационные свойства материалов для резцов характеризуются их твердостью, теплопроводностью, теплостойкостью, износостойкостью, прочностью на сжатие и изгиб, стойкостью к ударным нагрузкам. Композиционные материалы реализуют эксплуатационные свойства не одного, а двух или более материалов, например твердого сплава и алмаза в том или ином сочетании (композиции).

Алмаз, особенно природный, обладает самой высокой твердостью, теплопроводностью, теплостойкостью и износостойкостью, но плохо сопротивляется ударным нагрузкам. В последние годы применение алмаза в чистом виде для оснащения инструментов уменьшается.

Из известных твердых сплавов для оснащения инструментов чаще всего применяются вольфрамокобальтовые (ВК) в виде резцов с заданной геометрией, дробленой или литой крошки, вставок (например, полусфера или клин и др.). По твердости, теплопроводности, теплостойкости, износостойкости твердые сплавы уступают алмазу, но они лучше работают при ударных нагрузках и значительно дешевле.

Твердые сплавы группы ВК состоят из зерен карбида вольфрама (твердая, износостойкая составляющая), скрепленных между собой кобальтом (связка) в разных соотношениях. Например, твердый сплав ВК8 на 92% состоит из карбидов вольфрама и на 8% из кобальта, а сплав ВК15 — на 85% из карбидов вольфрама и на 15% из кобальта. Повышение содержания карбидов вольфрама приводит не только к повышению твердости и износостойкости резцов, но и снижению их сопротивления ударным нагрузкам. Существенное влияние на эксплуатационные свойства сплавов оказывают также состав и зернистость карбидной составляющей. Сказанное учитывается при выборе твердого сплава для армирования инструмента в соответствии с требованиями по условиям работы (повышенная износостойкость или ударная стойкость).

В последнее время ведутся работы по созданию для армирования инструментов новых твердых сплавов: твердые сплавы с векторным изменением свойств, безвольфрамовые и вольфра-моникелевые (ВН) твердые сплавы. В сплавах ВН дорогой и дефицитный кобальт заменяют никелем, а в безвольфрамовых сплавах (КТС и ТН) в качестве основы используют карбид титана, в качестве связующего — никель и молибден.

Из композиционных материалов наиболее широко для оснащения инструментов применяются «Славутич» и АТП (алмазно-твердосплавные пластины). «Славутич» состоит из синтетических или природных монокристаллов алмаза мелких фракций, которые равномерно распределены в твердосплавной основе (резце, вставке) из ВК, совместно спрессованных и изготовленных методом порошковой металлургии. Для оснащения рассматриваемых инструментов применяются цилиндрические вставки диаметром 8... 12 мм с плоским основанием для оснащения калибрующих поверхностей или сферической формы (редко клиновой) для оснащения рабочих поверхностей инструментов. Активными элементами являются алмазные зерна на поверхности вставки. В процессе работы по мере износа вставки в работу вступают новые обнаженные зерна алмазов. Материал «Славутич» используется для армирования как рабочих, так и калибрующих поверхностей инструментов. Инструменты, вооружение которых изготовлено из «Славутича», долговечны, но при их использовании низка механическая скорость. Поэтому в последнее время материал «Славутич» чаще используется для армирования калибрующих поверхностей инструментов.

Алмазно-твердосплавная пластина (АТП) — это также композиционный материал из алмаза и твердого сплава ВК. АТП состоит из поликристаллической алмазной пластины толщиной до 3 мм и диаметром 8...50 мм, прочно соединенной с пластиной-подложкой из твердого сплава ВК толщиной до 24 мм.

Пластина АТП припаивается к державке, и полученный резец закрепляется в корпусе инструмента либо непосредственно крепится в корпусе без подложки. Активным элементом резца является алмазная поликристаллическая пластина.

От формы, размеров и геометрических параметров резцов и вставок для оснащения инструментов зависят две важнейшие характеристики:

1. эффективность воздействия на объект (порода, металл и др.); 
2. прочность и долговечность резцов инструмента в целом.

Чаще всего с изменением формы, размера и геометрических параметров эти характеристики меняются в противоположном направлении. Поэтому в каждом конкретном случае это необходимо учитывать.

Резцы с заданными геометрическими параметрами после закрепления на инструменте можно охарактеризовать величинами угла заострения, переднего угла, заднего угла и угла резания. Чем больше угол заострения, меньше передний угол и угол резания, тем прочнее кромка резца, но выше удельные энергозатраты на разрушение породы или резание металла. В пределе это резец в виде твердосплавного клина с углом при вершине больше 90°, дробленый твердый сплав, овализованный алмаз, цилиндрическая вставка из твердого сплава или «Славутич» с плоским или полусферическим основанием.

В процессе работы инструментов резцы (вставки) изнашиваются (притупляются). При этом существенно изменяются изначально заданные геометрические параметры резцов и эффективность их воздействия на объект. Для сохранения режущей способности в отдельных случаях может быть реализован эффект самозатачивания резцов. Эффект самозатачивания (в той или иной степени) достигается по нижеследующим направлениям.

1. Размещение активных (режущих) элементов резцов не только на рабочей поверхности, а в объеме резца, когда по мере износа резцов и активных режущих элементов обнажаются новые острые активные режущие элементы. Это направление реализуется в резцах из материала «Славутич» и у фрезерного инструмента, объемно армированного дробленым твердым сплавом.
2. Опережающий износ твердосплавной подложки (пластины) у резцов АТП, когда резец длительное время сохраняет остроту за счет выступающей острой кромки поликристаллической алмазной пластины, износ которой отстает от износа твердосплавной подложки.
3. В процессе работы инструментов резцы, их участки или фрагменты не только изнашиваются и притупляются, но и хрупко разрушаются с образованием новых острых режущих граней. Это направление реализации эффекта самозатачивания в той или иной мере успешно реализуется в инструментах с объемным размещением активных элементов (алмазы, дробленый твердый сплав) и многослойным и многоярусным размещением твердосплавных пластин при армировании лопастей раздвижных фрезеров (вырезающих устройств).

Значимость этого направления реализации эффекта самозатачивания существенно зависит от состава и свойств (хрупкость) материала, режима работы инструмента. Перспективным в этом направлении является создание и выпуск твердого сплава с векторными свойствами.

При выборе инструментов следует обращать внимание и на схему размещения резцов (вставок). На наш взгляд, схема размещения должна быть подчинена не формальным признакам, а соответствовать главным показателям инструмента — энергетическая эффективность воздействия на объект и долговечность. Известно, что этим требованиям в необходимой мере отвечают инструменты, реализующие эффект образования дополнительных поверхностей обнажения, когда нагрузки на резцы и энергоемкость разрушения уменьшаются /9/. По внешним признакам этим требованиям отвечают инструменты со спиральным и ступенчатым размещением резцов (вставок).

Эффективность работы и долговечность инструментов существенно зависит от того, какое количество резцов установлено и как они распределены по рабочей или калибрующей поверхности инструментов (запас вооружения и его распределение). Это необходимо учитывать как при выборе готового инструмента, так и при его ремонте или изготовлении в условиях производственных мастерских. При этом необходимо руководствоваться как минимум тремя условиями:

1. Вывод о том, что «чем больше резцов, тем лучше», явно ошибочен, т.к. с увеличением количества резцов возрастает стоимость инструмента, а эффективность его воздействия на объект может резко уменьшиться из-за недостаточной удельной энергетической и силовой загрузки резцов.
2. Резцы рабочих и калибрующих поверхностей инструментов при вращении должны полностью обрабатывать поверхность объекта воздействия (забой, стенки скважины, металл и др.) во избежание образования так называемых воротников (непораженных участков обрабатываемых поверхностей объекта), на которых неизбежно зависание инструмента.
3. Для повышения степени равномерности изнашивания резцов на разных участках рабочих и калибрующих поверхностей инструментов они должны быть равномерно энергетически загружены (совершать одинаковую работу). В первом приближении количество резцов по участкам поверхностей инструментов должно быть пропорционально площадям обрабатываемых резцами инструментов поверхностей или квадратам средних радиусов этих участков.

Запас вооружения на инструментах в настоящее время регулируется изменением количества резцов на поверхностях участков рабочих поверхностей, размещением резцов и активных элементов на плоскости или в объеме, количеством слоев и ярусов твердосплавных пластин на рабочих органах инструментов (например, раздвижных фрезеров).