Основы расчета параметров импрегнированного слоя буровых коронок с гранулированными алмазами

Актуальность работы Резкое сокращение финансирования научно — исследовательских работ требует алгоритмизации процесса разработки породоразрушающего инструмента с выделением ряда функций для автоматизированного проектирования.

Анализ литературных данных показал, что в мировой практике наметилась устойчивая тенденция использования при изготовлении импрегнированных коронок абразивного материала (природные и синтетические алмазы, композиты, сверхтвердые материалы и т. д.) покрытого слоем металла или комбинацией металлов. В отечественной практике это проявилось в разработке во ВНИИАЛМАЗе (Стихов JI.B., Хмелевская С. Н., Субботин Е.И.) метода грануляции алмазов, позволяющем существенно ускорить и упростить процесс сборки импрегнированного инструмента и дающем равномерное распределение алмазов в плоскости резания и объеме инструмента. Метод грануляции заключается в создании вокруг каждого алмаза оболочки из материала, составляющего матричную композицию и разработан в двух вариантах: для прессуемых и свободнозасыпаемых изделий. Эта алмазно-матричная композиция называется алмазной гранулой (абразивной гранулой, алмазно — твердосплавной гранулой, гранулой). После изготовления, гранулы в необходимом весовом количестве засыпаются в прессформу, формируя импрегнированный слой инструмента, который обладает единственной характеристикой — объемной концентрацией алмазов (абразива). За базовую концентрацию принята концентрация равная 100%, при которой в 1 см³ готового изделия (спрессованного импрегнированного слоя) содержится 4,4 карата природных алмазов (что составляет 25% объема). Исходя из базового понятия, величина концентрация алмазов в матрице (в импрегнированном слое) коронки может быть в пределах 0 — 400% (0% - отсутствуют алмазы, 400% - отсутствует металлический порошок). Согласно технологическому процессу разработан ряд навесок металлических порошков при получения объемных концентраций с шагом 25%.

Данный технологический процесс изготовления импрегнированного инструмента пришел на смену ранее существовавшему — процессу длительного перемешивания алмазных и металлических порошков в смесителе (в течение 48 часов), трудоемкого квартования и засыпки смеси в прессформу и, тем не менее, не дававшего равномерного распределения алмазов в плоскости резания и объеме импрегнированного слоя.

Однако, несмотря на все преимущества метода грануляции над методом перемешивания, он не может быть применен в существующем виде для оперативного инженерного расчета поскольку данный метод построен на эмпирических данных и при изменении любого из параметров всегда необходимы новые эксперименты. К тому же, невозможно, не прибегая к эксперименту, определить ни одного параметра (например, соотношение диаметра алмаза и диаметра гранулы при изменении диаметра алмаза и величины концентрации). Кроме того, весь процесс разбит на два самостоятельных, не взаимосвязанных процесса: 1) процесс грануляции алмазов для изготовления прессованных изделий и 2) процесс грануляции алмазов для изготовления «свободнонасыпных» (без прессования) изделий.

Тем не менее, метод грануляции можно применить для решения поставленной задачи, изменив методологический подход к понятию «готовое изделие» и базовому понятию «объемная концентрация алмазов». Предлагается за «готовое изделие» принимать не «спрессованную матрицу» в целом (совокупность спрессованных гранул), а «единичную гранулу», из совокупности которых будет складываться изделие (независимо от степени дальнейшего прессования). Это позволяет, применив понятие «объемная концентрация алмазов» к единичной грануле, получить однозначные аналитические зависимости размеров алмазного зерна и гранулы от величины концентрации, что дает возможность соотнести эти размеры с размерами прессформы.

Отсюда становится реальным заранее сосчитать и заложить четко определенное количество алмазов в плоскости резания в зависимости от формы профиля торцаопределять и проектировать расстояния между алмазами, перекрытие алмазов, величину возможной углубки (выпуска) алмазов: тем самым обеспечивая возможность реализации рекомендаций по величине необходимого выпуска алмазов различных зернистостей (в долях диаметра алмаза) в зависимости от категорий буримости горных пород: XII-XI — (0,05−0,10) da: XI-X — (0,10−0,15) da: Х-VIII — (0,15−0,25) da (Отраслевая методика по разработке технологии бурения на твердые полезные ископаемые. Изд. 2-е, перераб. и доп. /Сост.: Васильев В. И., Пономарев П. П., Блинов Г. А. и др. — Л.: ВИТР, 1983, — 130 е.).

Таким образом, введение и практическая реализация понятия «единичная гранула» дает возможность:

1) повышения качества и ресурса буровых коронок при снижении расхода алмазовресурс повышается вследствие заданного упорядоченного распределения алмазов в плоскости резания и объеме импрегнированного слоя;

2) за счет одновысотности расположения алмазов обеспечить одновременность работы, практически, всех алмазов режущего слоя;

3) использования элементов информационной технологии при конструировании алмазного инструмента.

Идея работы. Закономерное изменение распределения алмазов импрегнированного слоя в зависимости от буримости горных пород за счет изменения толщины покрытия при грануляции алмазов различных размеров.

Цель работы. Повышение качества алмазного инструмента и снижения себестоимости его изготовления.

Задачи исследований.

1. Анализ расчетных параметров абразивной гранулы.

2. Построение аналитических зависимостей процесса формирования гранулы.

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров распределения абразивных гранул в импрегнированном слое матрицы алмазной коронки.

4. Установление закономерностей структуры перекрытия и выпуска алмазов из матрицы коронки.

5. Изучение механизма работы алмазной импрегнированной коронки и влияние размеров абразивной гранулы на величину механической скорости бурения.

6. Выполнение вариантных расчетов элементов импрегнированных коронок и разработка рекомендаций для компьютерного проектирования породоразрушающего инструмента.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы аналитические и экспериментальные методы исследований, в том числе: анализ и обобщение литературных данныхтеоретический анализ процессов, имеющих место при контакте алмазной коронки с горной породой и планировании экспериментаэкспериментальные исследования и обработка результатов с использованием методов математической статистики.

Оценка экономической эффективности применения разработанных методов расчета конструктивных параметров алмазных коронок осуществлялась путем сравнения расчетных данных с результатами эксперимента.

Научная новизна выполненной работы заключается в установлении закономерности изменения толщины оболочки гранулированных алмазов и их распределения в матрице в зависимости от зернистости, концентрации объемных алмазов и твердости горных пород.

Защищаемые положения.

1. Распределение алмазов в матрице коронки определяется их зернистостью и концентрацией импрегнированного слояпри этом толщина покрытия алмазов элементами матричной композиции пропорциональна размеру алмаза и глубине его внедрения, зависящей от категории буримости горной породы.

2. Применение гранулированных алмазов с оболочкой заданной толщины, установленной на основе расчетных зависимостей, обеспечивает их закЪномерное распределение в объеме матрицы и позволяет повысить эффективность разрушения горной породы по всей площади забоя, в том числе при изменении концентрации объемных алмазов.

3. Разработанная методика расчетов параметров импрегнированного слоя с гранулированными алмазами создает научно-методическую основу проектирования алмазного бурового инструмента для конкретных геолого-технических условий.

Достоверность научных положений и полученных результатов определяется удовлетворительной сходимостью (ошибка ± 8%) расчетных и экспериментальных данных и положительными результатами внедрения рекомендаций в практику.

Практическая ценность результатов исследований заключается в разработке методики и алгоритма расчета параметров импрегнированного слоя с гранулированными алмазами, рекомендаций по конструктивному исполнению коронок.

Личный вклад. Автору диссертационной работы принадлежит идея, формулировка задач, выбор методики их решения, теоретические исследования, опытно-конструкторские разработки, непосредственное участие в проведении экспериментальных, стендовых и полевых испытаниях.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке методик разработки комплексов алмазного породоразрушающего инструмента при выполнении госбюджетных НИОКР во Всероссийском научно — исследовательском институте методики и техники разведки (ВИТР) в рамках контрактов с Министерством Природных Ресурсов РФ по научно технической проблеме «Разработать новый породораз-рушающий инструмент», входящей в Комплексную научно — техническую программу обеспечения геологоразведочных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Школах передового опыта Мингео СССР при ПГО Ташкентгеология (г. Алмалык, 1984г), при ПГО Якутскгеология (г. Чульман, 1986г), при ПГО Севзапгеология (г. Петрозаводск, 1989г), на специализированных секциях Ученого Совета Всероссийского 8.

НИИ методики и техники разведки (ВИТР) (г. С. — Петербург, 1985 — 1999 гг.), IV Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. С. — Петербург, 1998 г), Всероссийском съезде геологов (к 300-летию горно-геологической службы России. С-Петербург, 2000 г.) на совместных НТС с иностранными представителями, а также отражены в отчетах НИР по НТПр № 22, 75, 84 Министерства природных ресурсов РФ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе одно авторское свидетельство и три иностранные публикации (Китай).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и содержит 115 страниц машинописного текста, 30 таблиц, иллюстрирована 15 рисунками.

Список литературы

включает 111 наименований.

Выподы, f! а основе выполненных исследований установлено:

1). Количественное распределение алмазов по слоям не равномерно: повторение по высоте матрицы слоя аналогичного первому (слоя с наилучшим распределением алмазов) возможно только в третьем пли четвертом по счету слое.

2). Технологически важным фактором при изготовлении коронок является применение способа укладки (засыпки) гранул на ровное донышко прессформы поскольку при обратном способе, когда засыпка грянул ведется на неровную поверхность порошка подрезного слоя, а первый рабочий слой, становится в этом случае последним (Nным по счету) и распределение алмазов в нем, практически всегда, будет случайным.

3). Величина осевого перекрытия (Ад) является критической высотой углубки алмазов, при которой единичным резцом становится сектор коронки, а не каждый алмаз в отдельности.

4). Линия, проходящая через точки осевого перекрытия, является линией '" сплошного" (непрерывного) алмаза.

5). При износе алмазов до линии, проходящей через точки осевого перекрытия, углубка коронки возможна лишь создании условий внедрения сектора в целом (линия критического износа алмазов). б/.

Ц&trade-.&tradeТТЛ ттктттэт* imrtTflnomeS uen" /у^рвпгп ТТРГМЧГЛТЛТТуГО n^irgo-, ^ - •*. j с. г v •.. it*., .: — i. ^ j — j .:..: .* *. :. •.^. ^ д дi — i i:. — I' : — г ронкн посредством резца — сектора).

7). Продолжениеосуществления углубки каждым алмазом (как единичным резцом) возможно только при нарушении линии «сплошного» алмаза путем разрушения (выкрашивания) самих алмазов.

8), В результате проведенных исследований разработан обобщенный алгоритм проектирования внутренней структуры импрегнированного инструмента «Гранула» .

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

С 1 экспериментальные исследования процесса грануляции алмазов. Для оценки взаимосвязи величины объемной концентрации и геометрических размеров гранулы была произведена экспериментальная грануляция в соответствии с действующей методикой промышленной грануляции алмазов для прессуемых и свободионасыпанных (без последующего прессования) гранул. Для прессуемых гранул использовались навески для получения объемных концентраций, обозначаемых далее как К50, К75, К100. К125. К150 и К) 75, Добавочно в этом ряду была произведена гпанкщтия соответствующая к^э^^ипиенп' п^ашлянии Г= 100% вхоaanicicf Т5^tat nan 1Г'ль~ LjprT^mnanTuqa т^гдтг-х-эпттст V^ Птш гпА^пяилис|р1лпаии1.ТА.г V’l LJ-Д U / 1 —. Y' «r '- 14 4 J N 1 lwi Wii^UJJ lllU/1 1 ', 1 > L Ч II I ГК I (: J.'. IVU^J^, I/. J Ц ¦ - .-. Vi' - V / V '. (I H 'I UrL 1'l lii I J i li Р1Ч m< '< п плтп’ттдттип Т-АШ глитп<>л mir A^A^IIO «т iv Tinaa т/-., тl panj Jicuvi i/iji i ii^o .ricio^vivri i/i i lkjjl у Twrinyi i I i1^ i ! i! Ч!ц: !: (. v * V' v ' >: i ' (?, v' i >: ч далы^ i ^ 1|.

1/-ЛС/-1 В iccnrn rnnnnD imcpii !/•! СПГВ ТЛПСЛП «» —-.——,"" lOvbU, 1(J^U, 11VVV.1J, IMJUVD, 11 U^D. I рйИуИЦШ! НО ДВС[Л ilj 1СЯ имитатор алмазов — кварцевый песок размером 800/630 мкм в количестве, тождественном навеске алмазов в 100 карат. По окончании процесса грануляции гранулы рассеивались на ситах с диаметром отверстий: 0,63- 0,80- 1,08- 1,13- 1,22- 1,33- 1,44- 1,55- 1,68: 1,90- 2,08 мм.

Кроме определения геометрических паоаметров гранул. полученных пои стан.

1 Ж'' 1 1X1- 4 дартном процессе грануляции (табл. 5,1 и 5,2), определим коэффициент грануляции,.

И ЧТПГА ТТПРПЯПЯТ ¥-РМ И TIV ГР1 Till rli' I’M 11 {Л P. 1**1 f I Я SV / V- ' * v' ' «i*w* «*——- ! 1 ' 1 * - ' .t •.

Г /1ПГ!

Jt — Т1Д!

Г = 4ПП.

С 14.

V •1) f A V ua.

J, ^ !. ua-r J Я V1 'am «nu j ^ 7) и j «am.

Подставляя в (5.1) и (5.2) экспериментальные значения da dutn, 2h,, получаем фактические коэффициенты грануляции алмаза для стандартных объемных концентраций табл. 5.1 и 5.2). А последовательный ряд соотношения экспериментально полученной, 3 лI т ,'м'' - vm г j г i-u irp.'i т г г т т f с, ттл, 1 оэ п 13 15 т • i т *, г т т? — s: r,-< i: ,', ч,3: > -тUI.'^M:'т.iт'- 1л<�ттт riti пполллпотптт iv «ti ''апа^лпиаиплт TTl’mitrtv'' ! ч-ч. > t n • -. *• tj тл/-л^"(4л*4т i тп т^о i ijy^vvwociririoiA ii ьпиииДпипаъпи lanriDiA i ycinyjij ri i v> i — i,-!, i v. i i- 1 i^a-xijjiyii^ji^i ctjuvicuct объемной концентрации отдельной гранулы) представлен в табл. 5.3.

Анализ данных таблиц 5.1 — 5.3 показывает, что с увеличением абсолютного значения объемной концентрации внутри каждого класса («прессованных» и «свободионасыпанных» гранул) уменьшается толщина оболочки вокруг алмаза. При этом для.