§ 3. Конструкции и типоразмеры коронок с резцами из естественных алмазов

Основными конструктивными элементами алмазной коронки (рис. 2.3) являются матрица и короночное кольцо или корпус с конусной проточкой К и резьбовой частью. Корпус коронки служит для закрепления матрицы, несущей алмазные резцы. Резьбовая часть предназначена для присоединения коронки к буровому снаряду. Конусная проточка К служит для размещения кернорватель- ного устройства или заклиночного материала при отрыве керна от забоя.

Короночные кольца характеризуются стандартными параметрами (рис. 2.3, а, табл. 2.2): диаметрами кольца d, d_u й_г и резьбы </₃, d_A> общей длиной или высотой кольца Ь_ъ длиной гладкой Ь₂ и резьбовой частей L₃, конусностью К проточки и др. Стандартные величины длин Ь₂ - 45 мм и L₃ = 30 мм для всех диаметров кольца. Профиль резьбы короночного кольца стандартный по ГОСТ 6338—77. Алмазные коронки характеризуются стандартными параметрами наружным D и внутренним D_L диаметрами и общей высотой L.

В практике бурения геологоразведочных скважин используют

Рис. 2.3. Конструктивные элементы алмазных коронок: 1 — матрица; 2 — корпус коронки; 3 — циркуляционные каналы

в

: "К
: * <г
	1 *1
!.
>1.	*
1	d
& I-	,| "
	г, J ъ

d,

Ж

■Of

I

Диаметр									Длина
матрицы		короночного кольца				резьбовой части			короноч ного кольца
D		d	*1	"2	*3		d4	*1
26+да	14 ОД	24,5-0,28	15 + 0,24	18,5 + 0,1'	19,8-0,14		21,5
36 од	22ОД	34-0,34	23 + 0,28	26,0 + 0,1'	27,3-0,14		29,0	55±0,74
46 ОД	31ОД	44-0,34	33 + 0,34	36,0 + 0,1'	37,3-0,17		39,0
59ОД	42ОД	57-0,40	44 + 0,34	48,0 + 0,1'	50,3-0,20		52,0
76 ОД	59ОД	73-0,40	60 + 0,40	64,5 + 0,2(	66,3-0,20		68,0
93 ОД	73 ОД	90-0,40	76 + 0,40	80,0 + 0,2:	82,3-0,23		84,0	65±0,74
112 ОД	92 ОД	109-0,46	95 + 0,46	98,0 + 0,2:	101,3-0,2 3		103,0

алмазные коронки, изготовляемые как для одинарных колонковых снарядов (ОКС), так и для двойных (ДКС), а также снарядов со съемным керноприемником (ССК). Кроме того, в отдельных случаях выпускают коронки с матрицей нестандартной геометрии для выполнения специальных работ. Корпусы коронок для ДКС, ССК и специальных снарядов обычно отличаются от стандартных по некоторым параметрам (рис. 2.3,6, в). Некоторыми особенностями отличаются и коронки, предназначенные для бурения с продувкой или с эрлифтной промывкой, в частности, формой, количеством и расположением циркуляционных каналов (окон).

a d в г д

Рис. 2.4. Формы матриц алмазных коронок

По размещению алмазов в матрице коронки могут быть однослойными (А), многослойными (М) и импрегнированными (И), предназначенными для бурения в различных по свойствам породах.

Матрицы алмазных коронок могут иметь различную геометрию (рис. 2.4). У алмазных коронок для ОКС, выпускаемых серийно, матрица может иметь одну из двух основных геометрических форм торцовой рабочей части: плоскую или овальную. Овальная форма (рис. 2.4, б, в) характеризуется радиусом закругления торца матрицы R. Наиболее распространенной является форма усеченной полусферы (рис. 2.4, б), когда радиус закругления R больше половины толщины I кольца матрицы. Торец матрицы может иметь форму полусферы, когда ее радиус равен половине толщины кольца (рис. 2.4, в). Используют коронки с такой формой матрицы в условиях интенсивного износа ее периферийной части. Полусферическая форма позволяет увеличить количество алмазов, расположенных в наиболее изнашивающейся области матрицы коронки. Матрицы с плоским торцом характерны для импрегнированных коронок (рис. 2.4, а).

Коронки для ДКС, ССК и специального назначения имеют утолщенную матрицу с различной геометрией торцовой части — стандартной (рис. 2.4, г, д) и более сложной формы: пилот (рис. 2.4, е), специальный пилот (рис. 2.4, ж), двухступенчатой формы (рис. 2.4, з), в виде двойного конуса (рис. 2.4, и) и в виде обратного полукупола (рис. 2.4, к) и др. Считается, что форма прямого полукупола (см. рис. 2.4, г) способствует сохранению керна при бурении в мягких, легко разрушаемых породах и уменьшению интенсивности искривления скважин. Коронки с матрицей в виде обратного полукупола предназначены для бурения в сильноабразивных и разрушенных породах, когда интенсивно изнашиваются внутренние кромки торца матрицы.

Обычно матрицы алмазных коронок имеют вид сплошного кольца или отдельных элементов определенной формы, называемых штабиками, которые крепятся в торце короночного кольца. Коронки, предназначенные для бурения в породах ниже средней твердости, имеют рабочую часть зубчатой формы. Размещение алмазных зерен в коронках определяется ее конструкцией, насыщенностью матрицы алмазами, их зернистостью, конфигурацией промывочных каналов и физико-техническими свойствами горных пород. Сочетание объемных и подрезных алмазов по их качеству и зернистости определяется в соответствии с ТУ2-037-79-88.

Изготовление алмазных коронок осуществляют различными методами, наиболее широко из которых используются два —метод инфильтрации (пропиткой расплавленными металлами заранее спрессованной матрицы) и метод горячего прессования (пропиткой металлом матрицы в процессе ее прессования). Если используются штабики с алмазами, то они после изготовления припаиваются к короночному кольцу или расширителю с помощью меди марки МО или Ml в процессе пропитки матрицы.

Весь изготовляемый алмазный ПРИ маркируют в соответствии с ТУ2-037-79-88. Индекс, устанавливаемый на каждой коронке, состоит из четырех частей. Например: 01АЗ-Б20-Е20-№3437АИ2. Первая часть (до черточки) определяет конструкцию коронки —01 (первая конструкция); буква А — однослойная (может быть М — многослойная, И —импрегнированная); цифра 3 —тип матрицы (в данном случае нормальная). Вторая часть характеризует сорт и зернистость торцовых или объемных алмазов: Б —алмазы XV группы, подгруппы «а», 1 качества (см. табл. 2.1); 20 — зернистость подрезных алмазов, шт/кар. Третья часть шифра определяет сорт и зернистость подрезных алмазов. Четвертая часть: №3437 —паспортный заводской номер коронки; АИ — завод-изготовитель (в данном случае Кабардино-Балкарский завод алмазных инструментов). Наконец, последняя цифра 2 указывает, что коронка изготовлена во втором квартале года.

В ряде случаев алмазным ПРИ присваивают нестандартные шифры, в особенности, если они имеют специальное назначение, например, для ДКС (коронки КДТ, КУТ, КАТ, КИТ, АДН, ИДН, ДЭА) и ССК (коронки типа К, КАСК). Иногда в шифр вводят буквы, отражающие конструктивные элементы: К — конусная форма рабочей части матрицы; Р — матрица резцовой формы; 3 — матрица зубчатой формы; Т — тонкостенная коронка; или буквы, определяющие назначение ПРИ, например: Н — для направленного бурения; ДТ — для двойных труб (ДКС). В некоторых случаях буквой Д обозначают алмазное долото.

Все современные алмазные коронки, как указывалось ранее, делятся на три основных типа (однослойные, многослойные, и импрегнированные) с нормальной и уменьшенной толщиной матрицы, которые, в свою очередь, подразделяются на ряд разновидностей по многим признакам, в зависимости от назначения и условий работы: для бурения в твердых монолитных породах, в породах очень твердых, в породах трещиноватых, высокоабразивных и перемежающейся твердости; для бурения с продувкой, с эрлифтом или обратной схемой промывки; для специальных снарядов НБ, ДКС, ССК, КССК и др.

Однослойные коронки служат для бурения скважин в породах от средней до высокой твердости (VIII—IX категории по буримости). Изготовляются однослойные коронки двух видов —с заданной величиной выпуска алмазных зерен и развитой циркуляционной системой (рис. 2.5) и без заданного выпуска алмазов с нормальными промывочными каналами (рис. 2.6). К первому виду относятся коронки 04АЗ, 05АЗ, 06АЗ, 07АЗ, А4ДП, 10АЗ, 15АЗ, 16АЗ (зубчатые), ко второму — 01АЗ, 01А4, 12АЗ и 14АЗ, КДТ4А, КДТ-ОЭ и др.

Однослойные коронки с заданным выпуском алмазных резцов (табл. 2.3) предназначены для бурения малоабразивных и абразивных в основном плотных монолитных или слаботрещиноватых средне- и крупнозернистых горных пород VIII—IX категорий по буримости. Коронки имеют стандартную нормальную матрицу

Рис. 2.5. Конструкции алмазных коронок с заданной величиной выхода резцов:

а — 06АЗ-76; б — 07АЗ-59; 1 — корпус коронки; 2 —матрица; 3—торцовые резцы; 4 — подрезные резцы

твердостью HRC = 20—25 и заданный выпуск алмазных резцов в пределах 20—30% от их среднего линейного размера. В качестве торцовых резцов используются обычно алмазы XV или XXXV группы, зернистостью от 3—4 до 120—200 шт/кар и более, а в качестве подрезных — алмазные зерна XV или XXXIV группы зернистостью от 4—5 до 40—60 шт/кар.

Однослойные коронки без заданного выпуска алмазных резцов (см. табл. 2.3) предназначены для бурения в породах VII—X категорий по буримости одинарными или двойными колонковыми снарядами. К этому типу относятся коронки 01АЗ, 01А4, 02АЗ, КДТ-ОЭ, КДТ-4А и др. (см. рис. 2.6). Матрица у коронок стандартная с твердостью HRC = 20+25 или 30+35. В качестве торцовых резцов используют алмазы XV или XXXV групп зернистостью от 20 до 90 шт/кар, а в качестве подрезных — алмазы XV или XXXIV группы зернистостью от 10 до 60 шт/кар.

Многослойные коронки отличаются тем, что их матрица

а

в вид J

Рис. 2.6. Конструкции алмазных коронок без заданного выхода резцов:

а — 01АЗ; б —02АЗ; в — КДТ-ОЭ; J — корпус; 2 —матрица; 3 — промывочные каналы

содержит несколько слоев объемных алмазов. Такие коронки в настоящее время промышленностью не выпускаются.

Импрегнированные коронки отличаются размещением объемных алмазов по всему телу матрицы. Изготовляют такие коронки в основном методом холодного прессования. При этом алмазные зерна предварительно смачивают глицерином или касторовым маслом и затем перемешивают с шихтой матрицы. Глицерин или масло обволакивает каждое зерно алмаза тонкой пленкой, к которой прилипают частицы шихты, образуя порошковую оболочку или «рубашку». Это обеспечивает более равномерное распределение мелких зерен алмазов по всему объему матрицы коронки. Для изготовления импрегнированных коронок применяют мелкие фракции алмазных зерен размером 0,5—0,9 мм в поперечном сечении. В связи с этим выпуск алмазных зерен составляет 0,04—0,07 мм, и работа коронок такой конструкции существенно зависит от абразивности пород. В малоабразивных породах торец матрицы быстро полируется, а в чрезмерно абразивных — быстро изнашивается. Поэтому для обеспечения эффективной работы таких коронок особенно важно подбирать матрицу по износостойкости. В зарубежной практике выпускаются импрегнированные коронки с твердостью матрицы в широком диапазоне (HRC = 5-5- 60).

Таблица 2 .3. Характеристика алмазных коронок с выступающими зериами алмазов

Тип	Диаметр, мм		Зернистость алмазов, шт/кар		Масса алмазов, кар
	наруж ный	внутрен ний	объемных	подрезных
		С заданным выпуском резцов
16АЗ-СВ	59	42	12-8; 20-12	20-12	12-17
	76	58	40-15		15-18
	93	73			19-24
01КС	76	58	4-мм резцы,	20-7	20
	93	73	АРС-3		25
02КС	112	92	20-7	20-7	30
04АЗ	59	42	20—12; 30-20	20-12	16, 14, 12
	76	58	40-30		18
	93	73			24
07АЗ	59	42	30-20; 40-30		9-12,5
	76	58	60-40	30-20	10-14
АЧДП	46	31	20-12; 30-20	20-12; 30-20;	6-10
	59	42	40-30; 60—40	40-30	7,5-15
	76	58	90-60		10-20
	93	73			20-24
КЛТ	46	31	50-30; 60-40	50-30	4-6
	59	45			5-8
	76	61			7-10
		Без заданного выпуска
01ЛЗ	36	22			3,5-6,5
01Л4	46	31			4,5-7,5
01АЗСВ	59	42	50-30; 30-20	30-20; 50-30	5,5-10
01А4СВ	76	58			10-16
01А30СВ	93	73			12-18
01А40СВ	112	92			14—20
АКС	46	33	50-30	50-30	3,5-5,5
	59	46	60-40		5-6
	76	61			8,5-10
01АЗГ	59	42	120-90	60-40	4,5-6,5
01А4Г	76	58			5,5-7,5
14АЗ	59	38	20-12	20-12	5,9-9,3
	76	54	30-20	30-20	9,6-14,4
	93	69	60-40	50-30	9,8-19,6

У нас в стране разрабатываются коронки с матрицей, имеющей твердость HRC = 10+15 и 15+20. В качестве объемных резцов используют алмазы XV и XXXV групп зернистостью от 120 до 400—600 шт/кар, а в качестве подрезных — алмазы XV или XXXIV группы зернистостью от 30—40 до 60—90 шт/кар. (табл. 2.4).

Таблица 2.4. Характеристика имнрегниро ванных алмазных коронок

Тип	Диаметр, мм		Зернистость алмазов, шт/кар		Масса алмаэоа, кар
	наружный	внутренний	объемных	подрезных
02ИЗ	36	22	400-120	50-30	5,3
02И4	46	31	S = 0,5*	60-40	7,5
02ИЗГ	59	42	S = 0,7*		12
02И4Г	76	58	S = 0,8*		20
	93	73
Н4ДП	59	42	400-120	20-12	12
	76	58	S = 0,7*	30-20	16
			S = 0,8*	50-30
КИТ	46	33	400-120	60-40	7
	59	45		50-30	10
ИКС	46	33	400-120	50-40	7
	59	45		50-30	10
БС - 0,3	46	31	800-400	Твссат	9,3
	59	42			14,5
	76	58			18
БС-0,4	59	42	800-400	Твесал	15
	76	58			21

* Размерность алмазов по ситовой классификации, мм.

Для изготовления импрегнированного ПРИ широко используют порошки синтетических алмазов АРС-3, АРС-4 и монокрис- таллических алмазов АС-50, АС-65, АС-80, АС-100, АС-105Т, АС-132Т.

В связи с тем, что импрегнированные коронки имеют от 8 до 15 алмазосодержащих взаимно перекрывающихся слоев (при толщине слоя 4—5 мм), углубка на коронку может достигать больших величин при благоприятном износе матрицы, практически на всю ее высоту без снижения механической скорости бурения. Предназначены импрегнированные коронки для бурения абразивных трещиноватых и монолитных пород IX—XII категорий по буримости. Промышленностью выпускается целый ряд коронок этого типа: 02ИЗ, 02И4, 03И5, И4ДП, КИТ, ИКС, БСИ (БС-03, БС-04, БС_Г05, БС-06, БС-17, БС-18).

Кроме обычных типов изготовляют импрегнированные коронки с гранулированными алмазными зернами. Гранулы образуют матрицу коронки с равномерно распределенными зернами алмазов по всему объему. Окончательно матрица коронок формируется методом инфильтрации. В шифр таких коронок вводится буква Г (02ИЗГ, 02И4Г). Коронки БСИ имеют матрицу с гранулированными алмазами, а в качестве подрезных резцов — вставки из сверхтвердого материала славутич.

Вид А

Рис, 2.7. Алмазная коронка для ССК:

1 — корпус коронки; 2 — матрица; 3 — циркуляционные каналы; 4 — пилот

Рис, 2.8. Алмазные коронки для бурения с продувкой воздухом: 1 — корпус; 2 — матрица; 3 — циркуляционные каналы

Специальные алмазные коронки для бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками типа ССК и КССК отличаются утолщенной матрицей, а для ССК еще и наличием внутренней присоединительной резьбы на удлиненном корпусе коронки. Форма матрицы может быть ступенчатой, зубчатой или комбинированной. Коронки для ССК могут быть с зубчатой или ступенчатой матрицей, имеющей твердость HRC = 25+35 (рис. 2.7). Торцовые зерна алмазов располагаются в один слой с заданным выпуском (около 30% от диаметра зерна). В качестве торцовых резцов используются алмазы XV или XXV групп зернистостью 10—20, 20—30 и 120—400 шт/кар. Подрезные алмазы, устанавливаемые на ребрах матрицы, XXXIV группы имеют зернистость в основном 20—30 шт/кар.

Промышленностью выпускаются специальные коронки типа К и КАСК: для ССК-46 (К-90, К-90-1, К-90-2); для ССК-59 (К-0,1 К09И2Г, К-01-1, К-01-2, К-01-3, К-02, К-08); для ССК-76 (КАСК-4С, КСК-К, КАСК-Р, КАСК-3) и для КССЖ-76 (К-16, К-18, К-30, К-41, К-45).

Алмазные коронки для бурения с продувкой сжатым воздухом имеют хорошо развитую поверхность охлаждения, обеспечивающую необходимые условия теплообмена на забое. Это достигается приданием ребристой формы матрице коронок и увеличением числа и сечений циркуляционных каналов. Такие коронки (рис. 2.8) были разработаны ЦНИГРИ и ВИТРом для одинарных (я) и двойных (б) колонковых снарядов.

Коронки для ДКС отличаются конструкцией корпуса (увеличена длина внутренней резьбы), параметрами и геометрией матрицы (табл. 25). Коронки армируют природными или синтетическими алмазами.

Таблица 2.5. Характеристика алмазных коронок для двойных колонковых снарядов

Тип	Диаметр, мм			Зернистость алмазов, шт/кар			Масса алмазов, карат
	наружный	внутренний	объемных		подрезных
КУТ	46	31	30-20		30-20	7,5
КУТВ	59	42	50-30		50-30	10
18 АЗ	76	58	60-40		60-40	14
КУТИ	46	31	400-120		50-30	7
19АЗГ	59	42	400-120		50-30	11
	76	58	400-120		50-30	18
10АЗ	59	38	30-20		30-20	10
	76	52	30—20		30-20	13,5
НИЗ	59	38	400-120		50-30	12,5

Продолжение табл. 2.5

Тип	Диаметр, мм		Зернистость алмазов, шт/кар		Масса алмазов, карат
	наружный	внутренний	объемных	подрезных
кдто	59	34,5	30-20	30-20	10
	76	46	30-20	30-20	15
	93	66	30-20	30-20	22
кдто-и	59	34,5	400-150	50-30	11,5
ДЭИ	76	47	400-150	50-30	20
	93	56	400-150	50-30	20
ДЭА	76	47	30-20	30-20	20
	93	59	30-20	30-20	20

Коронки для бурения с эжекторными колонковыми снарядами ( Э К С) созданы с учетом определенных условий их применения: трещиноватость или раздробленность пород, их высокая абразивность, обратная циркуляция и изменяющийся расход промывочной жидкости. Для одинарных снарядов были разработаны алмазные коронки ОЭА и ОЭИ, а для ДКС — коронки ДЭИ, ДЭА и др.