Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю

- при збільшенні коефіцієнта теплопровідності матеріалу композита від 100 до 200 Вт/(м·К) за умов екстремального буріння абразивних гірських порід відбувається зменшення температури на робочій поверхні долота до 500 єС. Подальше його зростання вже не так істотно впливає на температурний стан алмазовмісного шару композита;

– при збільшенні відносного значення коефіцієнта теплообміну від 0,5 до 3,5 кВт/(м2·К) відбувається зменшення контактної температури до 2,5 разів;

– на температуру робочої поверхні долота суттєво впливає концентрація і зернистість алмазів, контактний тиск і кутова швидкість обертання. Оптимізація цих параметрів забезпечує роботу в температурному режимі, що не перевищує 600 єС і не впливає на погіршення механічних властивостей композита;

– температурне поле в долоті істотно залежить від радіальної і кутової координат профілю.

2. Розв'язано осесиметричну задачу термопружності для сферичного долота в процесі буріння свердловин. Особливістю цієї задачі є те, що самі напруження залежать від температури нелінійно, а умови рівноваги включають компоненти вектора об'ємної сили (навантаження на долото повздовж осі Оz і обертання долота з кутовою швидкістю щ навколо цієї осі). Розв'язок задачі отримано у вигляді рядів за поліномами Лежандра і сферичними функціями. Цей розв'язок дозволив визначити складові квазістатичних термонапружень в алмазному долоті і проаналізувати основні фактори, які впливають на їх змінення. На основі цього рішення встановлено таке:

– максимальні значення радіальних температурних напружень , тангенціальних і дотичних при бурінні гірських порід досягаються на границі контакту долото - порода, вони істотно залежать від радіальної і кутової координат профілю і кутової швидкості обертання щ;

– при збільшенні відносного значення коефіцієнта теплообміну б1 від 1,5 до 3,5 кВт/(м2·К) усі складові зменшуються більше ніж удвічі для всіх умов буріння;

– загальні напруження уіj теж істотно залежать від кутової і радіальної координат, навантаження і кутової швидкості обертання. Максимальні значення загальних радіальних напружень уrr досягаються на робочій поверхні долота при и = 18є і и = 90є, а дотичні уrи в цих зонах мають менші значення, ніж уrr.

3. Розроблено науковий підхід для дослідження кінетики зношування алмазних доліт в процесі буріння нафтових і газових свердловин з урахуванням специфічних особливостей НКАМ, геометричних параметрів інструментів та складних умов теплообміну внаслідок сумісної дії примусової і природної конвекції в потоці бурового розчину для загального випадку, коли коефіцієнт зносу залежить від контактної температури. Розв'язки отримано в явному вигляді, що дозволяє визначити знос чи швидкість зношування у будь-який момент буріння і виконати параметричний аналіз кінетики цього процесу залежно від широкого варіювання вихідних даних. На основі отриманих рівнянь виявлено такі закономірності:

– знос бурових доліт суттєво залежить від хімічного складу алмазовмісного шару композита. Введення добавок порошків СrВ2 і W2В5 до вихідної шихти алмаз - твердий сплав ВК6 вдвічі підвищує зносостійкість бурового долота для всього діапазону параметрів, що вивчаються;

– збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалу композита від 100 до 200 Вт/(м·К) вдвічі зменшує швидкість зношування алмазного долота. Подальше збільшення цього параметра вже не так суттєво впливає на знос інструменту. Збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалу долота практично не впливає на зносостійкість інструменту;

– стійкість бурових доліт проти абразивного зношування істотно залежить від концентрації і зернистості алмазів. Так, при зростанні відносної концентрації алмазів від К = 75 до К = 100 і зернистості від 500/400 до 1000/800 зносостійкість долота збільшується вдвічі;

– збільшення відносного значення коефіцієнта теплообміну від 0,5 до 3,5 кВт/(м2·К) підвищує зносостійкість алмазних доліт до 2,5 разів, а збільшення контактного тиску і кутової координати, навпаки призводить до стрімкого зростання зносу інструменту.

4. Вперше розроблено кінетичну модель для опису фізико-хімічних процесів, які паралельно відбуваються при спіканні алмазовмісних композитів на основі твердосплавних матриць методом гарячого пресування для загального випадку, коли швидкість процесу контролює як дифузія, так і хімічна реакція поміж вихідними речовинами шихти. Особливістю цієї моделі є те, що швидкість процесу спікання подано добутком двох функцій: узагальненої константи швидкості і модельної функції. При цьому константа швидкості одночасно залежить від температури і тиску, вона визначає швидкість хімічної реакції в системі, що спікається, а модельна функція задовольняє умові фізичної залежності двох механізмів спікання. Це дозволяє визначити енергетичні бар'єри для зародкоутворення нових фаз, дифузії і хімічних реакцій з однієї сторони, а з іншої - визначити залежність швидкості процесу від температури і тиску та запобігти проведенню трудомістких експериментів та використанню складного обладнання при дослідженні молекулярної взаємодії. На основі цієї моделі встановлено, що енергія активації дифузії, зародкоутворення нових фаз і хімічних реакцій несе у собі повну інформацію про структури і фізико-механічні властивості НКАМ.

5. Методами рентгеноспектрального аналізу (РЕМ і ПЕМ) досліджено особливості формування структури композитів системи алмаз - твердий сплав ВК6 залежно від хімічного складу і р - Т - t умов спікання. На основі цих досліджень встановлено таке:

- введення добавок СrВ2 і W2В5 до вихідної шихти алмаз - твердий сплав ВК6 сприяє підвищенню однорідності зернистої структури і фазового складу матриці, зменшенню середнього розміру зерна WС в матриці, формуванню в матриці стискуючих напружень;

– в ямках відривання і на поверхні кристалів алмаза в зразках складу алмаз - твердий сплав ВК6 з низькою здатністю алмазоутримання, переважно трапляється завищений вміст вільного вуглецю. Характерною рисою зразків, які вміщують у вихідній шихті алмаз - твердий сплав ВК6 добавки порошків СrВ2 і W2В5, є відсутність графіту як в продуктах взаємодії алмаз - матриця, так і в матриці вдалині від цього контакту;

– поєднання дрібнозернистої структури, високої твердості, міцності контакту алмаз - матриця і зносостійкості бурових вставок, які вміщують у вихідній шихті алмаз - твердий сплав ВК6 добавки порошків СrВ2 і W2В5, свідчить про те, що хром і бор корінним чином впливають на хід дифузійних процесів і хімічних реакцій поміж компонентами, які в свою чергу відіграють найважливішу роль при формуванні структури і властивостей;

6. Виготовлено нові конкурентоспроможні на світовому ринку НКАМ складу алмаз - твердий сплав ВК6, які по зносостійкості втричі перевищують стандартні композити, та спечено нові АТП термостійкість яких становить до 1100 °С (стандартні 650 °С), що дає змогу використовувати їх при бурінні твердих абразивних порід.

7. На основі аналітичних та експериментальних досліджень розроблено високоефективний породоруйнівний інструмент ІНМ, який успішно впроваджено у виробництво при бурінні нафтових і газових свердловин в абразивних породах середньої твердості та верхніх інтервалах твердих порід як в Україні, так і за її межами.

Основні результати роботи викладено в наступних публікаціях

1. Феноменологическая модель спекания сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов // Н.В. Новиков, В.А. Мечник, А.Н. Жуковский, Н.А. Бондаренко, В.Н. Ткач: Доповіді НАН України. - 2003. - № 10. - С. 102 - 104.

2. Формирование структуры и свойств сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов // Н.В. Новиков, В.А. Мечник, А.Н. Жуковский, Н.А. Бондаренко, В.Н. Ткач: Доповіді НАН України. - 2003. - № 11. - С. 88 - 90.

3. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Кинетика физикохимических процессов в алмазосодержащих композитах // Доповіді НАН України. - 2005. - № 2. - С. 88 - 93.

4. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Структура и свойства буровых вставок, спеченных методом горячего прессования // Доповіді НАН України. - 2005. - № 3. - С. 93 - 97.

5. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Кинетические особенности влияния СrВ2 на энергетическое состояние спекаемого композита состава алмаз - твердый сплав ВК6 // Доповіді НАН України. - 2005. - № 9. - С. 96 - 101.

6. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Кинетические константы и их связь со структурой и свойствами композитов состава алмаз - твердый сплав ВК6 // Доповіді НАН України. - 2005. - № 10. - С. 97 - 103.

7. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Температурное состояние алмазных буровых долот // Доповіді НАН України. - 2006. - № 10. - С. 95 - 102.

8. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Мечник В.А., Жуковский А.Н. Физико-математическое моделирование процессов спекания многокомпонентных алмазосодержащих композитов. 1. Математическая модель // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7, № 3. - С. 71 - 77.

9. Физико-математическое моделирование процессов спекания многокомпонентных алмазосодержащих композитов. 2. Физико-химические особенности формирования структуры и свойств // Н.В.Новиков, Н.А.Бондаренко, О.Г.Кулик, В.А.Мечник, А.Н.Жуковский: Физическая мезомеханика. - 2004. - Т.7, № 3. - С. 79 - 87.

10. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Влияние диффузии и химических реакций на структуру и свойства буровых вставок. 1. Кинетическое описание системы Салмаз - ВК6 и Салмаз - (ВК6 - СrВ2 - W2В5 ) // Физическая мезомеханика. - 2005. - Т.8, № 2. - С. 99 - 106.

11. Влияние диффузии и химических реакций на структуру и свойства буровых вставок. 2. Результаты аттестации структурного состояния сверхтвердых материалов состава алмаз - твердый сплав ВК6 // Н.В. Новиков, Н.А. Бондаренко, А.Н. Жуковский, В.А. Мечник, Г.С. Олейник: Физическая мезомеханика. - 2006. - Т.9, № 2. - С. 107 - 116.

12. Жуковский А.Н., Майстренко А.Л., Мечник В.А., Бондаренко Н.А. Напряженнодеформированное состояние связки в окрестности алмазного зерна, находящегося под действием нормальной и касательной составляющих нагрузки. Часть 1. Модель // Трение и износ. - 2002. - Т. 23, № 2. - С. 146 - 153.

13. Жуковский А.Н., Майстренко А.Л., Мечник В.А., Бондаренко Н.А. Напряженнодеформированное состояние связки в окрестности алмазного зерна, находящегося под действием нормальной и касательной составляющих нагрузки. Часть 2. Анализ // Трение и износ. - 2002. - Т. 23, № 3. - С. 393 - 396.

14. Бондаренко Н.А., Кулаковский В.Н., Симкин Э.С., Цыпин Н.В. Влияние свойств синтетических алмазов на механические характеристики и износостойкость твесалов // Сверхтвердые материалы. - № 4. - С. 54 - 57.

15. Структурные особенности сверхтвердых композитов системы алмаз - твердый сплав ВК6, отличающихся износостойкостью // Н.А.Бондаренко, Н.В.Новиков, В.А.Мечник, Г.С.Олейник, В.М.Верещака: Сверхтвердые материалы. - 2004. - № 6. - С. 3 - 15.

16. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Анализ основных теорий спекания материалов. 1. Спекание в изотермических и неизотермических условиях (Обзор) // Сверхтвердые материалы. - 2005. - № 6. - С. 3 - 17.

17. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Анализ основных теорий спекания материалов. 2. Химические реакции и процессы зародышеобразования. Общие правила для кинетического описания процессов при спекании композиционных материалов (Обзор) // Сверхтвердые материалы. - 2006. - № 1. - С. 3 - 15.

18. Бондаренко Н.А., Кулик О.Г., Мечник В.А. Исследование взаимодействия боридов СrВ2 и W2В5 с компонентами твердого сплава // Сверхтвердые материалы. - 2006. - № 6. - С. 30 - 36.

19. Богданов Р.К., Бондаренко Н.А., Финкельштейн Е.М., Бронников И.Д. Анализ напряженного состояния породоразрушающего элемента в ударно-истирающем режиме бурения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. ВНИИОЭНГ. - 1997. - № 2. - С. 24 - 26.

20. Бондаренко М.О. Вплив В4С на структуру і зносостійкість бурових вставок на основі Салмаз - ВК6, спечених методом гарячого пресування // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2004. - № 3. - С. 57 - 61.

21. Бондаренко М.О., Мечник В.А., Кулик О.Г. Дослідження міцності контакту алмаз - матриця та зносостійкості бурових вставок на основі ВК6 з добавками СrВ2 // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2004. - № 4. - С. 32 - 36.

22. Бондаренко М.О., Мечник В.А. Визначення теплових потоків при руйнуванні породи алмазними буровими вставками // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2006. - № 1. - С. 47 - 49.

23. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Исследование износа алмазних бурових долот. 1. Свойства, классификация и особенности рассматриваемой проблемы // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2006. - №1. - С. 49 - 56.

24. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Исследование износа алмазных буровых долот. 2. Нестационарная задача теплопроводности для алмазного бурового долота в процессе его работы // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2006. - № 2. - С. 54 - 58.

25. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Исследование износа алмазных буровых долот. 3. Анализ температурных полей // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2006. - № 3 . - С. 87 - 90.

26. Бондаренко Н.А., Мечник В.А., Кулик О.Г. Влияние W2В5 на механические характеристики и износ буровых вставок, спеченных методом горячего прессования // Науковий вісник НГУ. - 2004. - № 5. - С. 17 - 22.

27. Бондаренко Н.А. Специфические особенности структуры и их проявление в кинетике спекания буровых вставок // Науковий вісник НГУ. - 2005. - № 10. - С. 38 - 45.

28. Влияние добавок СrВ2 на структуру и свойства алмазного композита на основе Fе - Сu - Ni - Sn // В.А.Мечник, Н.А.Бондаренко, О.Г.Кулик, А.Н.Жуковский, А.В.Панов, О.М.Кузьминская: Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его применения и изготовления: Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2003. - С. 250 - 255.

29. Особенности распределения компонентов матрицы и их влияние на механические характеристики бурових вставок // Н.А. Бондаренко, В.А. Мечник, О.Г. Кулик, А.В. Панов, А.О. Казьмин. - Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его применения и изготовления: Сб. науч. тр. - Вып. 8. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, - 2005. - С. 28 - 32.

30. Термостойкие АТП и результаты их применения в бурових инструментах ИСМ // Л.Ф.Стасюк, М.П.Мельник, Н.А.Бондаренко, Н.Н.Мельник, В.А.Мечник: Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его применения и изготовления: Сб. науч. тр. - Вып. 9. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, - 2006. - С. 25 - 30.

31. Бондаренко Н.А., Олейник Г.С., Мечник В.А. О природе повышенного алмазоудержания в композите алмаз - сплав WС - Со, полученного в добавками хромосодержащих соединений // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его применения и изготовления: Сб. науч. тр. - Вып. 9. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, - 2006. - С. 257 - 262.

32. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Мечник В.А., Супрун М.В. Технология получения износостойких породоразрушающих буровых вставок // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов. Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ НАН Украины, 2005. - Сер. Материаловедение. - С. 232 - 238.

33. Богданов Р.К., Закора А.П., Исонкин А.М., Бондаренко Н.А. Исследование работоспособности долот, оснащенных АТП, при бурении геологоразведочных скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Екатеринбург, 1999. - С. 88 - 93.

34. Пат. 63468 Україна МПК В22 F7/02, 3/12, В 32 В7/02, С04В35/52, С22С26/00. Алмазно-твердосплавна вставка / М.В. Новіков, І.Й. Рибчич, Є.І. Крижанівський, М.О. Бондаренко, В.А. Мечник, О.М. Жуковський. - Заявл. 23.04.03; Опубл. 15.08.05. Бюл. № 8.

35. Пат. 63469 Україна МПК В22 F7/02, Е21В10/46, С04В35/52, В32В7/02. Алмазно - твердосплавна пластина / М.В. Новіков, І.Й. Рибчич, Є.І. Крижанівський, М.О. Бондаренко, В.А. Мечник, О.М. Жуковський. - Заявл. 23.04.03; Опубл. 16.01.06. Бюл. № 1.

36. Пат. 64274 Україна МПК В24D3/04, В22F3/12, Е21В10/46, С22С29/14. Шихта для виготовлення абразивовмісного матеріалу / М.О. Бондаренко, В.А. Мечник, О.М. Жуковський, О.І. Семенов, О.В. Панов. - Заявл. 23.04.03; Опубл. 15.12.05. Бюл. 12.

37. Бондаренко Н.А. Анализ напряженного состояния полупространства горной породы в ударно-истирающем режиме бурения // Совершенствование техники и технологии бурения скважин ИСМ АН УССР: Киев, 1993. - С. 11 - 15.

38. Исследование эффективности отбора керна бурильными головками режущего действия // Я.С. Гаврилов, Я.В. Кунцяк, Н.А. Бондаренко, Д.М. Мартынюк, Е.М. Финкельштейн: Стан і перспективи розвитку розвідувального та експлуатаційного буріння і закінчення свердловин в Україні. м. Харків, 1998. - С.75 - 76.

39. Бондаренко Н.А. К вопросу расчета рабочих параметров в ударно-истирающем режиме бурения // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2000. - С. 53 - 55.

40. Бондаренко Н.А., Квач В.В. Бицентричное буровое долото ИСМ, оснащенное АТП. // Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины. - 2001. - С. 29 - 31.

41. Исследование механизма и кинетики спекания алмазосодержащих композиционных материалов // А.Н.Жуковский, А.Л.Майстренко, В.А.Мечник, Н.А.Бондаренко, М.Д.Левин: Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины. - 2002. - С. 128 - 133.

42. Жуковский А.Н., Бондаренко Н.А., Мечник В.А. Термодинамический анализ процессов спекания породоразрушающих элементов из славутича // Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины. - 2002. - С. 145 - 151.

43. Кулаковский В.Н., Днепровский А.И., Бондаренко Н.А. Метод контроля износа долота буровой машины // Сб. науч. тр. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины. - 2002. - С. 196 - 197.

44. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Моделирование физических процессов при спекании // Междунар. конф. "Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике": Тез. докл., 8 - 12 сент. 2003 г., Киев, Украина. - С. 21 - 22.

45. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Мечник В.А., Жуковский А.Н. Энергия активации процессов и кинетические параметры как мера качества алмазосодержащих материалов // Третья междунар. конф. "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применения, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий": Труды конф. 13 - 17 сент. 2004 г., Кацевели - Понизовка. Автономная республика Крым, Украина. - С. 37 - 39.

46. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Мечник В.А., Жуковский А.Н. Моделирование зародышеобразования, диффузии и химических реакций в процессе изготовления сверхтвердых материалов методами порошковой металлургии // Труды конф. 13 - 17 сент. 2004 г., Кацивели - Понизовка. Автономная республика Крым, Украина. - С. 59 - 60.

47. Важнейшие направления в теории материаловедения сверхтвердых материалов // Н.В.Новиков, Н.А.Бондаренко, А.Н.Жуковский, В.А.Мечник, А.Л.Майстренко: Сб. материалов докладов международной научно-технической конференции "Порошковая металлургия: достижения и проблемы". 22 - 23 сент. 2005 г., Минск. - С. 79 - 80.

48. Структурные особенности алмазосодержащих композитов и их проявление в кинетике неизотермического спекания // Н.В.Новиков, Н.А.Бондаренко, А.Н.Жуковский, В.А.Мечник, А.Л.Майстренко: Сб. материалов докладов международной научно - технической конференции "Порошковая металлургия: достижения и проблемы" 22 - 23 сент. 2005 г., Минск. - С. 160 - 162.

49. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Температурное состояние долота оснащенного сверхтвердыми материалами при работе в экстремальных условиях // Четвертая междунар. конф. "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий". 18 - 22 сент. 2006 г., Кацивели. - Крым, Украина - ИПМ АН УССР.- С. 103.

Анотації

Бондаренко М.О. Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.10 - Буріння свердловин. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2007 р.

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.

Ключові слова: алмаз, композит, теплопровідність, напруження, зносостійкість, енергія активації, долото, калібратор, механічна швидкість буріння, проходка на долото.

Бондаренко Н.А. Научные основы создания алмазного бурового инструмента с повышенной работоспособностью. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.10 - Бурение скважин. Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, 2007 г.

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 и 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.

Решена осесимметричная задача термоупругости для сферического алмазного долота в условиях бурения скважин. Особенностью этой задачи является то, что сами напряжения зависят от температуры нелинейно, а условия равновесия включают компоненты вектора объемной силы. Решение задачи получено в виде рядов по полиномам Лежандра и сферическим функциям, позволяет определить компоненты квазистатических термоупругих напряжений в произвольный момент времени и проанализировать основные факторы, влияющие на кинетику данного процесса. Установлено, что значения радиальных , тангенциальных и касательных температурных напряжений при бурении горных пород существенно зависят от радиальной и угловой координат профиля, условий бурения и угловой скорости вращения. Выявлено, что при увеличении относительного значения коэффициента теплообмена б1 от 1,5 до 3,5 кВт/(м2·К) составляющие температурных напряжений уменьшаются до более двух раз. Общие термоупругие напряжения уij также зависят от сферических координат профиля и условий бурения. Максимальные значения общих радиальных напряжений уrr достигаются на рабочей поверхности долота при и = 18є и и = 90є, а касательные уrи в этих зонах имеют наименьшие значения. Общие тангенциальные напряжения уии возрастают при увеличении угловой координаты и.

Впервые решена задача износа алмазного долота с учетом тепловыделения в результате трения и специфических особенностей сверхтвердых композитов, сложных условий теплообмена за счет совместного действия естественной и вынужденной конвекции в потоке охлаждающей жидкости для случая, когда коэффициент износа зависит от контактной температуры. Решение получено в явном виде, позволяет определить износ или скорость износа в произвольный момент времени и провести параметрический анализ кинетики этого процесса в зависимости от варьирования исходных данных. Выявлено, что износ бурового долота существенно зависит от химического состава композита, коэффициента теплопроводности материала композита, концентрации и зернистости алмазов, относительного значения коэффициента теплообмена, режимов бурения и угловой координаты профиля.

Исследованы особенности формирования структуры и свойств буровых вставок состава алмаз - твердый сплав ВК6 и алмаз - твердый сплав ВК6 с добавками СrВ2 и W2В5. Установлено, что прочность поверхности сопряжения алмаз - матрица и свойства композитов в целом определяются характером взаимодействия и природой образующихся продуктов на поверхности сопряжения, степенью сплошности контакта алмаз - матрица и природой напряженного состояния матрицы, окружающей алмазы. Показано, что введение СrВ2 и W2В5 в исходную шихту алмазосодержащего слоя буровой вставки при их спекании по оптимизированным режимам способствует гомогенизации зеренной структуры и фазового состава матрицы, уменьшению среднего размера зерен WС, формированию в матрице напряжений, сжимающих частицы алмаза, а также предотвращает выделение неалмазного углерода в продуктах взаимодействия алмаз - твердый сплав. Эти факторы способствуют повышению износостойкости буровых вставок и долот в целом более 2 раз за счет повышения свойства алмазоудержания и абразивных характеристик алмазосодержащего слоя композита.

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.

Ключевые слова: алмаз, матрица, добавка, композит, теплопроводность, температура, напряжение, износостойкость, кинетика, спекание, диффузия, зародышеобразование, химическая реакция, энергия активации, константы кинетические и физические, долото, калибратор, механическая скорость бурения, проходка на долото.

Bondarenko N.А. The scientific principles of making the diamond drilling tools with increased efficiency. - Manuscript. Thesis for the Doctor of Technical Sciences degree in the speciality 05.15.10 - Drilling of wells. Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, 2007.

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-6Co hard allloy by hot pressing made it possible to determine the optimal chemistry and p - T - t 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 ІНМ-214,3Т 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.

Keywords: diamond, composite, thermal conductivity, stress, wear resistance, activation energy, drill bit, calibrator, mechanical drilling speed, sinking per drill.

Размещено на Allbest.ru