Буровой инструмент для колонкового бурения компании ATLAS COPCO Craelius

М.А.Чувилин, ЗАО «ATLAS COPCO»
М.Н.Котровский, НПК «Гемос Лимитед»

Компания ATLAS COPCO Craelius AB, являющаяся отделением фирмы ATLAS COPCO Group, активно работает в области алмазного бурения скважин с 1886 года. Имея более чем 100-летний многосторонний опыт, компания в настоящее время занимает ведущее положение среди производителей и поставщиков современного алмазного породоразрушающего инструмента.

Номенклатура бурового и вспомогательного инструмента компании для колонкового бурения включает буровые коронки, расширители, бурильные и обсадные колонны, колонковые наборы, снаряды ССК, сальники, ключи, аварийный инструмент и др.

Современная номенклатура бурового алмазного и композитного породоразрушающего инструмента компании ATLAS COPCO Craelius АВ (AC Craelius) представлена широким рядом коронок для колонкового бурения скважин, как для разведки месторождений полезных ископаемых, так и инженерно-геологических и геотехнических изысканий. В свою очередь алмазные коронки для колонкового бурения выпускаются в стандартном исполнении двух видов — импрегнированные и однослойные. Коронки для технических скважин выпускаются в стандартном исполнении двух видов — ДИАПАКС, ТРИПАКС и трех видов — в исполнении с твердосплавными элементами из карбида вольфрама (КВ).

Импрегнированные коронки сконструированы таким образом, что их воздействие на забой скважины приводит к измельчению и истиранию горной породы. Для этого кристаллы алмазов заделаны в спеченную металлокерамическую матрицу. За счет подбора соотношения качества материала матрицы, впаянных в нее кристаллов алмаза и твердости (истираемости) горных пород обеспечивается объемное изнашивание матрицы и кристаллов. При этом наблюдается эффект «самозатачивания» коронки, когда впаянные в матрицу кристаллы алмазов постоянно обнажаются в результате ее объемного износа. Технология обеспечения постоянно высокого качества алмазных коронок импрегнированного типа предусматривает, во-первых, использование монокристаллических синтетических алмазов, отличающихся от природных стабильностью физико-механических свойств; во-вторых, тщательным их отбором по качеству и размерам в соответствии с назначением коронок. Непрерывный контроль процессов, начиная от подбора кристаллов и соответствующего назначению коронок качества матриц, на каждой стадии производства обеспечивает выпуск одинакового, неизменно высокого качества коронок. Компания AC Craelius владеет «ноу-хау» в производстве матриц импрегнированных коронок (а также в предпочтении качества кристаллов) и освоила технологию выпуска матриц шести типов (табл. 1).

Стандартные импрегнированные коронки выпускаются с матрицами различной высоты: (1) базовая 3.5 мм; (2) высокая 6.5 мм; (3) экстра 9.5 мм; (4) супер 12 мм. Базовая высота рекомендуется для коронок, используемых для бурения очень крепких и трещиноватых пород, где наблюдается большой износ коронки по ее диаметру. Для коронок колонкового бурения в основном рекомендуется применять более высокие матрицы — от 6.5 до 12 мм.

Качество однослойных коронок компании AC Craelius соответствует самым высоким отраслевым стандартам, что обеспечивает максимальные показатели бурения. Однослойные коронки изготавливаются с использованием природных алмазов. В соответствии со стандартом природные алмазы для однослойных коронок подразделяются на три класса: S, N, G. Класс S — специальное качество алмазов. Кристаллы этого класса имеют высокую ударную прочность и используются при изготовлении коронок, предназначенных для бурения по твердым и средней твердости породам. Класс N — нормальное качество алмазов. Коронки с кристаллами класса N предназначены для бурения скважин по породам средней твердости и мягким. Класс G — качество алмазов «Геотех», используемых при изготовлении коронок, предназначенных, главным образом, для инженерно-геологических изысканий и исследований по мягким породам.

Накопленный многолетний опыт эксплуатации алмазных однослойных коронок фирмы ATLAS COPCO свидетельствует о том, что их применение обеспечивает высокую скорость бурения, хорошую наработку и стойкость. При изготовлении коронок данного типа компания AC Craelius использует фирменное «ноу-хау», в том числе в части раскладки кристаллов алмаза.

При производстве однослойных коронок компания использует алмазы стандартных размеров: 10/15; 20/25 и 30/50 камней на карат (шт./кар). При этом соблюдается обратно пропорциональная зависимость между твердостью пород и крупностью кристаллов алмаза, используемого в коронке. Например, для твердых пород применяются мелкие кристаллы алмаза, в основном от 30 до 50 шт./кар.

Однослойные алмазные коронки занимают малую долю (10%) объема выпускаемых компанией AC Craelius коронок, главную — 90% составляют импрегнированные коронки.

Коронки типа «Геотех» сконструированы специально для колонкового бурения с отбором керна по несвязным горным породам. В эту группу входят поликристаллические алмазные композитные коронки (ПАК) типа ДИАПАКС, ТРИПАКС и карбидовольфрамовые коронки (КВ) со вставками различной конфигурации. ПАК коронки предлагаются в качестве альтернативы твердосплавным КВ коронкам и однослойным алмазным коронкам и предназначены для бурения несвязных горных пород и пород средней твердости. Эти коронки разрушают горную породу в забое скважины резанием, а не истиранием, как коронки импрегнированные и однослойные.

Коронка типа ДИАПАКС (DIAPAX) имеет впаянные по ее рабочему торцу вставки из ПАК. Вставки имеют форму круглых дисков спеченного карбида вольфрама, с одной из сторон покрытых слоем спеченных алмазов. Эти коронки обеспечивают совершенно превосходные показатели бурения (скорости и времени проходки) скважин по несвязным осадочным горным породам. Коронка типа ТРИПАКС (TRIPAX) имеет впаянные в ее рабочий торец кубические или трехгранные вставки также из ПАК. Эти коронки рекомендуются для бурения горных пород средней твердости и созданы специально для бурения с получением высококачественного керна при скорости проходки, в три раза превышающей скорость, достигаемую с обычными однослойными алмазными коронками. КВ коронки, предназначенные для колонкового бурения по самым мягким скальным породам и наносам, а также для очистки скважин, AC Craelius производит трех следующих типов: КВ коронки с восьмиугольными вставками; КВ коронки с резцовыми вставками; КОРБОРИТ-коронки.

Первый тип КВ коронок характеризуется впаянными в рабочий торец коронки в шахматном порядке восьмиугольными вставками в форме стержня из карбида вольфрама, закрепленными под углом 10° для образования режущих кромок. Для их изготовления используется карбид вольфрама специально разработанной марки, обеспечивающей высокое сопротивление износу при вращательном движении.

Второй тип — отличается впаянными пластинчатыми вставками, расположеными таким образом, что обломки породы (буровой шлам) удаляются наружу коронки; этим создаются благоприятные условия для извлечения керна и снижается вероятность его заклинивания в бурильной трубе.

Третий тип — КОРБОРИТ-коронка представляет собой коронку, рабочий торец которой по всему периметру покрыт специальным сплавом, смешанным с зернами раздробленного до размера 2–5 мм карбида вольфрама. Благодаря этому КОРБОРИТ-коронки имеют значительно больше режущих кромок, чем предыдущие два типа КВ коронок и рекомендуются для бурения по осадочным и скальным породам средней твердости. При бурении этими коронками буровой став испытывает меньшие вибрации, и создаются лучшие условия для извлечения керна, чем у коронок с КВ вставками.

Особенность всех КВ коронок заключается в том, что они могут быть использованы в операциях по очистке скважин, и, в частности, для разрушения оставленных в скважине стальных предметов.

Компания AC Craelius к настоящему времени освоила выпуск однослойных и импрегнированных коронок 14-ти различных профилей режущей коронки, а также с другими профилями по заказу.

Многочисленные исследования, проведенные специалистами AC Craelius, показали значительное повышение ресурса буровых коронок при соблюдении соответствующих режимов бурения. В связи с этим для каждого типа коронок рекомендуется оптимальный интервал параметров. Поэтому каждая коронка компании снабжается собственным паспортом, в котором указывается рекомендуемый интервал параметров наиболее эффективного бурения (рис. 1). Содержащиеся в паспорте сведения получены в результате длительной эксплуатации каждого вида коронок в различных горно-геологических условиях. Данные паспорта облегчают работу оператору бурового станка по установлению и поддержанию режима бурения скважин, и, в конечном итоге, предоставляют потребителю возможность достижения оптимального сочетания производительности и себестоимости бурения скважин.

AC Craelius на основе длительных исследований, испытаний и практического применения коронок в различных геологических структурах разработала ориентировочную таблицу выбора типа коронок для геологоразведочного бурения пород различной твердости.

Использование коронок в комбинации с колонковыми наборами из материалов самого высокого качества обеспечивает хорошую скорость бурения и качество керна. В настоящее время компания выпускает бурильные и обсадные трубки по метрическому и американскому DCDMA (Diamod Core Drilling Manufacturers Association — Ассоциация Производителей Алмазного Инструмента для Колонкового Бурения) стандартам типоразмеров (табл. 2).

Прочностные характеристики бурильных и обсадных труб типоразмерного ряда, выпускаемого фирмой AC Craelius, представлены в табл. 3.

Ниже рассмотрены технико-эксплуатационные характеристики каждого типа труб.

Стальные бурильные трубы с привариваемыми резьбовыми концами представляют собой цилиндрическую трубу с гладкими стенками, на концах которой с помощью фрикционной сварки приварены соединительные резьбовые элементы, изготовленные из более прочной стали, чем основная труба. Благодаря такой конструкции достигнута повышенная износостойкость и прочность резьбовых соединений при меньшей общей массе всей трубы. Бурильные трубы типа BWJ, NWJ и HWJ имеют конические резьбы, которые облегчают свинчивание и развинчивание труб.

Бурильные трубы из сплава Комполит — легкие, изготовленные из сплава на основе легированной стали, выпускаются также с соединительными резьбовыми элементами, приваренными с помощью фрикционной сварки. Комполитовые трубы сконструированы специально для полностью гидрофицированных буровых установок типа DIAMEC, а также для бурения обычных технологических скважин. Трубы из сплава Комполит легче стандартных стальных и более износостойки, чем трубы из алюминиевых сплавов; трубы типа AWJ, BWJ выпускаются с коническими резьбами.

Алюминиевые бурильные трубы выпускаются с наружным диаметром 43 и 53 мм и снабжаются на концах стальными соединительными резьбовыми элементами. Основная труба изготавливается из закаленного алюминиевого сплава с повышенными прочностными характеристиками, подобными сплавам для авиастроения. Соединительные резьбовые концы имеют цилиндрическую резьбу и изготавливаются из высокопрочной закаленной стали. Соединительные элементы ввинчиваются в алюминиевую трубу с добавлением клеевого состава. Алюминиевые трубы по массе в два раза легче стальных труб того же диаметра при равной прочности, обеспечиваемой высоким качествам сплава и увеличенной толщиной стенок.

Бурильные трубы безниппельного соединения — предназначены для бурения со съемным керноприемником (СКК), не требуют для соединения каких-либо дополнительных элементов и изготавливаются из углеродистой стали с высокими пределами текучести и прочности. Поэтому резьбовые соединения труб выдерживают более высокие нагрузки и деформации. Для облегчения свинчивания труб и увеличения срока их эксплуатации все нитки резьбы подвергаются специальной поверхностной обработке.

Приблизительные рекомендации по выбору скорости вращения буровой колонны для различных условий содержатся в диаграмме (рис. 2).

Компания AC Craelius постоянно работает над совершенствованием бурового инструмента в ответ на мировые тенденции развития рынка бурового инструмента, требующие обеспечения: экономичности инструмента, т.е. оптимального сочетания цены и качества; увеличения его стойкости за счет подбора качества материалов для матриц и корпуса инструмента, алмазов. В конечном итоге, соблюдение этих пропорций, в том числе за счет использования фирменных «ноу-хау», приводит к снижению себестоимости буровых работ при геологоразведочных и инженерно-изыскательских исследованиях.

Освоенные AC Craelius направления модернизации бурового инструмента в части создания новых профилей резьбовых соединений для бурильных труб, использования новых конструкционных материалов и сплавов для этих труб и собственно конструкций колонковых труб, в том числе снарядов СКК, обеспечивают компании неизменно лидирующее положение на рынке эргономичного и безопасного, долговечного и надежного, в конечном итоге, эффективного и экономичного инструмента для кернового бурения скважин.

Последние созданные AС Craelius конструкции и модели полностью гидрофицированных буровых агрегатов и станков серии DIAMEC и, особенно, компьютеризированные модели DIAMEC 264 APC и DIAMEC 284 APC, в сочетании с фирменным буровым инструментом AC Craelius, обеспечивают уникальную комбинацию, обеспечивающую выбор, оптимизацию и строгий контроль параметров и режимов бурения, рекомендуемых производителем для конкретных типов горных пород. Конечным результатом, получаемым потребителем бурового инструмента компании AC Craelius, является надежный и легкий контроль параметров бурения (скорости вращения буровой колонны, усилия и скорости подачи бурового инструмента, подачи промывочной жидкости), приводящий к повышению стойкости буровой коронки, повышению качества буровых работ и керна и к снижению объема и себестоимости буровых работ.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2000