Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю

Abstract

Розроблено нові теоретичні підходи для створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю на основі аналітичних методів дослідження температурних полів, термопружного стану, зношування та фізико-хімічних процесів, які відбуваються при спіканні робочих елементів методом гарячого пресування. Ці підходи дозволяють визначити основні фактори, що впливають на кінетику даних процесів, спрогнозувати структуру і властивості НКАМ, зносостійкість і довговічність бурових інструментів на їх основі. Проведені розрахунки енергетичного стану зразків бурових вставок складу алмаз - твердий сплав ВК6 при їх спіканні методом гарячого пресування дозволили визначити оптимальний хімічний склад і р -Т - t умови, за яких відбувається покращання структури і властивостей композита. На основі запропонованих моделей встановлено закономірності температурних полів, термопружного стану та кінетики зношування алмазних доліт ІНМ-214,3 Т при бурінні міцних і абразивних гірських порід для різних теплофізичних і механічних умов, що є дуже важливим для вдосконалення технології виготовлення бурових інструментів і практики їх експлуатації. Порівняння розрахункових даних з експериментальними вказує на адекватність розроблених моделей і точність отриманих результатів. На основі наукових досліджень розроблено конструкції бурових інструментів, які успішно впроваджені в промислове виробництво і показали результати при бурінні нафтових і газових свердловин на рівні кращих зразків закордонного виробництва.

Проанализированы различные концепции и современное состояние теории износа и технологии изготовления сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов состава алмаз - твердый сплав ВК6, сложившуюся в настоящее время. Разработаны новые теоретические подходы к созданию алмазного бурового инструмента на основе аналитических методов исследования температурных полей, термоупругих напряжений, износа и физико-химических процессов, происходящих при спекании композита методом горячего прессования. Сформулированы научные направления в области сверхтвердых композитов - от качества приготовления породоразрушающих элементов, требуемой структуры и свойств до разработки конкурентноспособных на мировом рынке буровых инструментов на их основе. Для иллюстрации полученных общих решений проведен их анализ для конкретных условий работы инструмента при варьировании физико-механических свойств композита, микрогеометрических характеристик алмазов и их концентрации, сферических координат профиля, условий бурения й охлаждения. Впервые сформулирована и решена нестационарная задача теплопроводности для полусферического тела с покрытием, из которого удален сферический сектор с центром в начале координат. Она моделирует температурное состояние алмазного бурового долота, при котором теплофизические характеристики рабочей поверхности существенно отличаются от аналогичных для корпуса долота. Модель учитывает интенсивное тепловыделение вследствие трения в зоне контакта инструмент -порода и охлаждение жидкостью за счет конвективного теплообмена. Для ее решения использован метод Галеркина в гильбертовом пространстве с разложением функций по собственным функциям спектральных задач с параметром в уравнении и граничном условии. На основе полученного решения проведен анализ зависимости температурных полей в алмазном долоте ИСМ-214,3 Т при бурении твердых и абразивных горных пород от теплофизических свойств материала композита и корпуса, микрогеометрических характеристик алмазов, относительного значения коэффициента теплообмена, режимов бурения, радиальной и угловой координат профиля. Полученные результаты представляют научный интерес и имеют прикладное значение для создания и анализа работы долот из сверхтвердых материалов. Впервые разработана математическая модель для описания физико-химических процессов, которые параллельно происходят при спекании алмазосодержащих композитов на основе твердосплавных матриц для общего случая, когда скорость процесса контролируется как диффузией, так и химической реакцией. Показано, что комплексное применение известных и предложенной моделей с использованием методов рентгеноспектрального анализа позволяет глубже исследовать кинетику физико-химических процессов на различных этапах спекания и выявить основные факторы, влияющие на их протекание. Предложено в качестве меры качества готовых изделий принять энергии активации процессов, зародышеобразования новых фаз, химических реакций между компонентами и кинетические параметры процесса спекания. Статистическая достоверность опытных и модельных расчетов свидетельствует о адекватности модели и точности полученных результатов. На основании полученных результатов разработаны конкурентоспособные на мировом рынке сверхтвердые композиционные алмазосодержащие материалы и буровые инструменты на их основе.

The new theoretical approaches have been developed of making the diamond drilling tools with increased efficiency based on the analytical methods of investigating the temperature fields, thermoelastic stress, wear and physico-chemical processes taking a place during the hot pressing of working bits. These approaches allow to detect the leading factors influencing the kinetics of the given processes and to predict the structure and properties of superhard composite materials, wear resistance and durability of drilling tools equipped with them. The energy state calculations conducted of drtilling inserts made of diamond and WC-бСо hard allloy by hot pressing made it possible to determine the optimal chemistry and p - T -1 conditions providing improvement of structure and properties of composite. Using the proposed models, the patterns have been established of temperature fields, thermoelastic stress and wear kinetics of IHM-214,3T diamond drills under the conditions of hard and abrasive rock drilling for various thermal and mechanical situations being crucial for production techology of these tools and their running practice. Comparison of calculated and exparimental data indicates adequateness of the developed models and accuracy of the obtained results. Based on the scientific investigations, the drilling tools have been designed and applied sucsessfully in industry for the oil and gas well drilling and have shown the results at the level of the best foreign-made tools.