Свойства алмазов, применяемых при бурении

Объемные алмазы равномерно распределяются в матрице буровой коронки или в ее поверхностном слое (по определенной схеме) и выполняют работу по разрушению горной породы на забое скважины.

Подрезные алмазы располагаются на наружной и внутренней боковых поверхностях матрицы и предназначены для защиты корпуса коронок от преждевременного бокового износа и калибрования стенок скважины.

Природные алмазы, используемые для оснащения объемного и подрезного слоев коронок, долот и расширителей, производимых в России и странах СНГ, различаются по качеству и размерам.

Производятся для получения гладкой поверхности. В процессе обработки неровности и шероховатость алмазных зерен сглаживаются; поверхность становится прозрачной; внутренние зоны кристалла легко просматриваются, что позволяет сортировать алмазы по дефектам. При бурении алмазами с гладкой полированной поверхностью силы трения на контакте «порода-алмаз» существенно ниже, чем при алмазах с шероховатой неровной поверхностью, в результате чего повышаются механическая скорость бурения и стойкость породоразрушающего инструмента.

Разработано три способа полирования поверхности алмазов:

• механический
• химический
• газопламенный

Механический способ полирования заключается в окатывании алмазов в специальной камере с применением суспензии алмазного микропорошка, при этом используются предварительно овализованные алмазы.

Химический способ полирования - обработка алмазов в расплаве солей, обладающих окислительными свойствами. Шихта для обработки нагревается в электропечи до температуры около 1300 °С. Полирование алмазов достигается путем некоторого окисления поверхности зерен в результате более высокой скорости окисления микровыступов на поверхности алмаза. Режущие кромки кристаллов при этом остаются.

Методом химического полирования можно обрабатывать алмазное сырье любого вида (овализованные, дробленые и природные необработанные алмазы).

Газопламенное полирование заключается в обработке шероховатой поверхности овализованных алмазов в водородно-кислородной или ацетиленокислородной смеси при высокой температуре. Алмазы при этом способе полируются, как и при химическом методе, за счет окисления микровыступов на шероховатой поверхности зерен.
Низкосортные отечественные алмазы с полированной поверхностью по работоспособности близки к высокосортным алмазам и могут быть эффективно использованы при изготовлении алмазных коронок в качестве объемных алмазов.

Термообработка алмазов повышает механическую прочность их за счет снижения внутренних напряжений в кристаллах. Для этого алмазы нагревают до заданной температуры в электропечи в восстановительной атмосфере (озон, аргон, водород), выдерживают при этой температуре определенное время и затем охлаждают.

Металлизация алмазов производится с целью увеличения прочности сцепления (адгезии) алмазов с матрицей бурового инструмента. Существует более двух десятков различных методов нанесения металлических покрытий на алмазы. Для изготовления алмазного породоразрушающего инструмента, в основном, используют методы ионно-плазменного распыления - диодный, триодный, из плазмы электродугового разряда с холодным катодом (метод КИБ) и магнетронный.

Гранулирование алмазов заключается в покрытии мелких алмазных зерен металлическими порошками, входящими в состав шихты. Алмазные зерна предварительно смачивают клеящими веществами. Наличие металлической пленки вокруг алмаза предохраняет его от дробления при прессовании матрицы и от графитизации при нагревании. Металлическая пленка способствует более прочному сцеплению алмазов и матрицы. Применение гранулированных алмазов для армирования коронок позволяет более равномерно распределить их в матрице.

Различают обычную грануляцию и двойную - когда гранулы алмазов дополнительно окатывают в алмазном порошке размерностью 1000-800 шт/кар. Таким образом формируют порошки алмазов для бурения малоабразивных твердых горных пород.

Для оснащения породоразрушающего инструмента используются также рекуперированные природные алмазы.

Существует несколько способов извлечения алмазов из матрицы инструмента.

Наиболее распространенным способом является электролитическое растворение отработанных инструментов в водном растворе поваренной соли. После извлечения алмазы высушивают, сортируют по качеству и размерам. При необходимости алмазы могут быть подвергнуты обработке одним из перечисленных выше способов.

Рекуперацию отработанного бурового инструмента производят в организациях, имеющих государственную лицензию на право проведения указанных работ (ВИТР, ТулНЙГП и др.).

Применение рекуперированных алмазов позволяет существенно снизить стоимость алмазного инструмента, что в условиях рыночной экономики весьма актуально.