§ 2. Конструктивные параметры породоразрушающего инструмента

Основными конструктивными параметрами алмазного ПРИ являются: количество (вооруженность), распределение и расположение (раскладка) алмазных резцов, выпуск (выход) резцов, геометрия режущей части, конфигурация, расположение и площадь сечения циркуляционных каналов, конструкция и параметры корпуса ПРИ.

Алмазные зерна, выполняющие роль резцов, по назначению и расположению в матрице подразделяются на торцовые, объемные и подрезные.

Торцовые алмазы, располагаются по торцу породоразрушающего инструмента и служат для разрушения породы в плоскости забоя скважины. Зависимость выхода торцовых алмазов из матрицы от их размера приведена ниже.

Зернистость,

шт/кар .... 5-2 10-5 20-10 30-20 40-30 60-40 90—50

Выход зерен,

мм 0,6-0,5 0,5-0,4 0,4-0,3 0,3-0,25 0,3-0,2 0,25-0,2 0,2-0,15

Объемные алмазы размещаются внутри тела матрицы и вступают в работу при обнажении, происходящем по мере износа торцовых алмазов и самой матрицы. В этом случае зерна обнажившегося слоя объемных алмазов становятся торцовыми. В качестве торцовых алмазов используются зерна с хорошей огранкой, с незначительными дефектами, зерна несовершенной формы, овализованные и дробленые.

Подрезные алмазы обрабатывают (калибруют) стенку скважины и керн по мере продвижения бурового инструмента при углубке скважины. Кроме того, они предохраняют породоразрушающий инструмент от бокового износа. В качестве подрезных резцов используются зерна высококачественных алмазов естественной формы или овализованные, имеющие больший размер, чем объемные. Величина выхода подрезных алмазных зерен составляет, как правило, 0,1—0,2 мм.

Вооруженность ПРИ зернами алмазов характеризуется общим количеством зерен алмазов в матрице, количеством объемных, торцовых и подрезных резцов, размещением или расположением (раскладкой) алмазных зерен в матрице.

Общее количество алмазных зерен в ПРИ определяется их суммарной массой в каратах. Количество объемных зерен характеризует насыщенность некоторого объема матрицы алмазами (кар/см³), а количество зерен, размещенных на торце матрицы,— насыщенность торца (шт/см²), или в процентах занимаемой алмазами площади от всей площади торца. Практика работ и исследования показывают, что максимальная механическая скорость достигается при насыщенности торца матрицы алмазами до 45—50%. Известно, что в зарубежных ПРИ насыщенность торца матрицы алмазами составляет 34—66% от его площади, а насыщенность отечественных коронок, как правило, не превышает 35%.

Объемную насыщенность матрицы алмазами оценивают отношением объема алмазов в матрице к объему самой матрицы. Этот параметр (в %) колеблется в зависимости от зернистости алмазов и диаметра ПРИ.

Размещение алмазных резцов в матрице ПРИ может быть различное. По этому признаку выделяют однослойный, многослойный и импрегнированный породоразрушающий инструмент.

Однослойный инструмент имеет только один ряд (слой) торцовых алмазов с зернистостью от 2—5 до 40—60 шт/кар и насыщенностью от 13—16 до 22—25% (при диаметре инструмента 36—76 мм) и подрезные алмазы.

У многослойного инструмента алмазы размещаются в некотором объеме рабочей части матрицы в несколько параллельных слоев (до 5—6), поэтому они и называются объемными.

У импрегнированных ПРИ вся масса мелких алмазных зерен равномерно распределяется в некотором объеме рабочей части матрицы. Насыщенность матрицы объемными алмазами может колебаться от 20 до 40%. Практически это тоже многослойный ПРИ, только с неупорядоченным расположением зерен алмазов в некотором объеме. Зернистость объемных алмазов у такого инструмента может колебаться от 100 до 10000 шт/кар и более. В качестве подрезных используются более крупные зерна алмазов зернистостью 30—60 шт/кар.

Расположение или раскладка торцовых и объемных резцов в одно- и многослойном ПРИ осуществляется в секторах по определенным схемам: радиальной, спиральной и концентрической, обеспечивающим полное перекрытие всей площади забоя группами зерен при вращении инструмента (рис. 2.2). Зерна алмазов MOiyr размещаться по той или иной схеме в специальных вставках- штабиках, прикрепляемых к корпусу ПРИ.

Рис. 2.2. Схема расположения (раскладки) зерен алмазов:

а — радиальная; б — спиральная; в — концентрическая; 1 — матрица; 2 — алмазные резцы; 3 — циркуляционные каналы

Торцовые и подрезные зерна алмазов располагают в матрице так, чтобы определенная часть каждого из них выступала из тела матрицы (см. рис. 2.1). Величина, на которую могут выступать алмазы или их выпуск <3₁, <3₂, <5₃, зависит от размеров зерен и характера пород, для которых рекомендуется ПРИ. Величина выпуска подрезных алмазов достигает 10—15% от их диаметра, что составляет обычно 0,08—0,8 мм.

Циркуляционные каналы (промывочные окна) представляют собой совокупность конструктивных элементов, обеспечивающих циркуляцию очистного агента с целью охлаждения ПРИ и удаления с забоя продуктов разрушения (шлама) в процессе бурения. Каналы — углубления — делают как в торцовой, так и в боковых частях матрицы, деля ее на секторы, а иногда и в ее теле (см. рис. 2.1). Чем интенсивней работает ПРИ, тем больше образуется шлама и чем он крупнее, тем больше должна быть пропускная способность промывочных каналов. Для этого увеличивают и их количество и сечение. Форма сечения, кроме того, должна обеспечивать небольшие гидравлические потери при движении жидкости. В связи с этим при прямой схеме циркуляции очистного агента предпочтение отдают косо расположенным каналам (по спирали, направленной против направления вращения инструмента), так как это способствует перемещению шлама к периферийной части забоя. Циркуляционные зазоры между торцом матрицы и забоем, а также между боковыми поверхностями матрицы, стенками

скважины и керном обеспечиваются выходом алмазных резцов из матрицы, величина которого может быть заданной (для однослойного ПРИ) и случайной, зависящей от степени обнажения резцов. При отсутствии зазоров охлаждение матрицы и зерен алмазов, а также удаление шлама резко ухудшаются, что может привести к быстрому выходу ПРИ из строя. Формирование необходимых зазоров в этом случае регулируют технологическим режимом отработки ПРИ.