blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-1-36-42blackmet-1000Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВMANUFACTURING TECHNOLOGY OF DRILL BITS UNDER HIGH PRESSURE AND TEMPERATURE WITH THE APPLICATION OF NEW DIAMOND MATERIALSБугаковВ. И.BugakovV. I.

д.т.н., зам. директора,

142190, Москва, Троицк, Калужское шоссе, 14 

Dr. Sci. (Eng.), Deputy Director,

Moscow

bugakovv@hppi.troitsk.ruЛаптевА. И.LaptevA. I.

д.т.н., ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории сверхтвердых материалов (НИЛ СТМ),

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Laboratory “Superhard Materials”,

Moscow

laptev@misis.ruИнститут физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАНРоссияInstitute for High Pressure Physics of RASRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation2017110220176013642Copyright © Бугаков В.И., Лаптев А.И., 20172017Бугаков В.И., Лаптев А.И.Bugakov V.I., Laptev A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1000

Разработана оригинальная технология изготовления алмазных буровых долот диаметром до 212 мм при давлениях до 1,5 ГПа и температурах до 1250 °С, включающая спекание в теплэлектроизолирующей оболочке с электронагревателями в стальной камере высокого давления в течение 120 мин. При изготовлении долот методом спекания под высоким давлением в стальной камере высокого давления (КВД) установлено, что процесс спекания является производительным, оснастка для него может быть применена многократно. Разработана и изготовлена КВД типа цилиндр-поршень с рабочим диаметром до 280 мм. При изготовлении долот может быть использован как стальной корпус для напрессовки на него матричного материала с алмазами, так и целиком порошковый корпус с алмазами или отверстиями для последующего закрепления алмазов пайкой или механическим способом. Изготовлены долота с модельными режущими элементами из поликристаллических алмазов типа карбонадо, проверены их эксплуатационные свойства. При бурении блока мрамора при нагрузке до 50 кН и числе оборотов 355 об/мин была достигнута механическая скорость до 20 м/ч. Установлено, что разработанная технология позволяет сохранить режущие свойства алмазов типа карбонадо, по термостойкости являющихся аналогами алмазно-твердосплавных композитов PCD. Прочностные показатели долота обеспечивают возможность его эксплуатации при самых напряженных силовых режимах бурения, металлокерамическая матрица обеспечивает надежное закрепление режущих элементов алмазных композитов АСПК, является износостойкой и обладает высокой прочностью. Данная технология является энергосберегающей, экологически чистой и производительной. Она может быть применена для изготовления металлокерамического износостойкого, коррозионностойкого корпуса долота с последующим закреплением в нем режущих алмазных элементов методом пайки или механическим закреплением с использованием алмазных композиционных материалов типа PCD с различной термостойкостью.

An original manufacturing technology of diamind drill bits with up to 212 mm at pressures up to 1.5 GPa and temperatures up to 1250 °C was developed. The bits were produced by sintering in a heat insulating jacket, an electrical insulating casing with electri cal heaters in a steel high pressure cell for 120 min. In the manufacture of drill bits by sintering under high pressure in steel HPC it was found that the sintering process is productive and apparatus for it can be used repeatedly. It can be used steel casing for pressing the diamond matrix material on it. The whole body can be made of diamond powder or holes for fi xing of diamonds by the subsequent soldering or by mechanical method. The authors have developed and manufactured a piston-cylinder type of HPC with a working diameter up to 280 mm by a high-pressure chamber. Also they have made a bit of model cutting elements such as polycrystalline carbonado diamonds and have tested their performance properties. When drilling of marble unit at load of 50 kN and the revolutions number of 355 rev/min the mechanical speed was reached up to 20 m/h. It was found that the developed technology allows to keep cutting properties such as carbonado diamonds have, which are analogues of PCD for thermal stability. Strength bit performance allows its operation under the most intense power drilling modes; metal-ceramic matrix provides a reliable fastening of the cutting elements. Carbonado is wear resistant and has high strength. This technology is energy effi cient, environmentally friendly and productive, as the technology can be used for the manufacture of metalceramic wear-resistant, corrosion-resistant casing bit and then fi xing it in the diamond cutting elements by soldering, or mechanical fastening, using a diamond composite materials of PCD types with diff erent thermal stability.

алмазный композитАСПКАТПPCDКВДспеканиесвязка алмазного инструментабуровой инструменталмазные долота PDCdiamond compositesynthetic carbonadoPCDHPHT Cellsinteringbunch of diamond toolsdrilling toolsdiamond PDC bitМинистерство образования и науки РФ; Коняев Ю.С. и Довбня А.В (ИФВД РАН)ReferencesБессон А., Берр Б., Диллард С. и др. Новый взгляд на режущие элементы буровых долот // Нефтегазовое обозрение. 2002. Т. 7. № 1. С. 4 – 31.Besson A., Berr B., Dillard S., Dreik E., Aivi B., Aivi K., Smit R., Uotson G. A new look at cutting elements of drill bits. Neftegazovoe obozrenie. 2002, vol. 7, no. 1, pp. 4–31. (In Russ.).Hungerford F., Ren T. Poly-crystalline diamond drill bit development. In 14th Coal Operators’ Conference, University of Wollongong, The Australasian Institute of Mining and Metallurgy & Mine Managers Association of Australia. 2014. P. 293 – 300.Hungerford F., Ren T. Poly-crystalline Diamond Drill Bit Development. In: 14th Coal Operators’ Conference, University of Wollongong, The Australasian Institute of Mining and Metallurgy & Mine Managers Association of Australia, 2014, pp. 293–300.Scott D., Stockeydr D., Digiovanni A. Engineered geometries for PDC cutters extends the life and performance of PDC drill bits // Finer Points Superabrasive Industry Review. 2015. Summer. P. 19 – 20.Scott D., Stockeydr D., Digiovanni A. Engineered geometries for PDC cutters extends the life and performance of PDC drill bits. In: Finer Points Superabrasive Industry Review. 2015, Summer, pp. 19–20.Шарипов А.Н., Мингазов Р.Р. Долота для бурения по твердым породам // Бурение и нефть. 2012. № 12. C. 46 – 48.Sharipov A.N., Mingazov R.R. Drill bits for hard rock drilling. Burenie i neft’. 2012, no. 12, pp. 46–48. (In Russ.)Трушкин О.Б., Попов А.Н. Выбор долот PDC в соответствии с твердостью и абразивностью горных пород // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 6. С. 34 – 38.Trushkin O.B., Popov A.N. Selection of PDC bits in accordance with the hardness and abrasive of rocks. Territoriya “NEFTEGAZ”. 2015, no. 6, pp. 34–38. (In Russ.).García-Marro F., Mestra A., Kanyanta V. etc. Contact damage and residual strength in polycrystalline diamond (PCD) // Diamond & Related Materials. 2016. Vol. 65. Р. 131 – 136.García-Marro F., Mestra A., Kanyanta V., K. Maweja, Ozbayraktar S., Llanes L. Contact damage and residual strength in polycrystalline diamond (PCD). Diamond & Related Materials. 2016, vol. 65, pp. 131–136.Bellin F., Dourfaye A., King W., Thigpen M. The current state of PDC bit technology // World Oil. 2010. September Issue. P. 41 – 46.Bellin F., Dourfaye A., King W., Thigpen M. The current state of PDC bit technology. World Oil. 2010, September Issue, pp. 41–46.Scott D. The history and impact of synthetic diamond cutters and diamond enhanced inserts on the oil and gas industry // Industrial Diamond Review. 2006. No. 1. P. 48 – 55.Scott D. The history and impact of synthetic diamond cutters and diamond enhanced inserts on the oil and gas industry. Industrial Diamond Review. 2006, no. 1, pp. 48–55.Сергейчев К.Ф. Алмазные CVD-покрытия режущих инструментов (обзор) // Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3. № 4. C. 342 – 376.Sergeichev K.F. CVD-diamond coating of cutting tools (review). Uspekhi prikladnoi fi ziki. 2015, vol. 3, no. 4, pp. 342–376. (In Russ.).Sexton T.N., Cooley C.H. Polycrystalline diamond thrust bearings for down-hole oil and gas drilling tools // Wear. 2009. Vol. 267. P. 1041 – 1045.Sexton T.N., Cooley C.H. Polycrystalline diamond thrust bearings for down-hole oil and gas drilling tools. Wear. 2009, vol. 267, pp. 1041–1045.Pat. 20140352228 US. Method of processing polycrystalline diamond material / Humphrey Samkelo Lungisani Sithebe, Andrew Ndlovu. 2014.Humphrey Samkelo Lungisani Sithebe, Andrew Ndlovu. Method of processing polycrystalline diamond material. Patent no. 20140352228 (US). 2014.Pat. 20120152064 US. Protective system and chemical agents for leaching polycrystalline diamond elements / Ram L. Ladi, Carl Edward Wells, Bhupinder Kumar Kataria, Stephen W. Almond. 2012.Ram L. Ladi, Carl Edward Wells, Bhupinder Kumar Kataria, Stephen W. Almond. Protective system and chemical agents for leaching polycrystalline diamond elements. Patent no. 20120152064 (US). 2012.Pat. 7757791 US. Cutting elements formed from ultra hard materials having an enhanced construction / John Daniel Belnap, Stewart N. Middlemiss. 2010.John Daniel Belnap, Stewart N. Middlemiss. Cutting elements formed from ultra hard materials having an enhanced construction. Patent no. 7757791 (US). 2010.Yahiaoui M., Gerbaud L., Paris J.-Y. etc. A study on PDC drill bits quality // Wear. 2013. Vol. 298–299. P. 32 – 41.Yahiaoui M., Gerbaud L., Paris J.-Y., Denape J., Dourfaye A. A study on PDC drill bits quality. Wear. 2013, vol. 298–299, pp. 32–41.Елютин А.В., Лаптев А.И., Манухин А.В. и др. Синтез поликристаллических алмазов «карбонадо» из пирографита // Доклады РАН. 2001. Т. 378. № 6. С. 1 – 6.Elyutin A.V., Laptev A.I., Manukhin A.V., Sannikov D.S., Kryukova L.M. Synthesis polycrystal diamonds ‘carbonado’ from pyrographite. Doklady Akademii Nauk. 2001, vol. 378, no. 6, pp. 769–785.Лаптев А.И. Классификация синтетических поликристаллических алмазов «Баллас» и «карбонадо» // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 1. С. 51 – 55.Laptev A.I. The classifi cation of synthetic polycrystalline diamond “Ballas” AND “Carbonado”. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, no. 1, pp. 51–55. (In Russ.).Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Высокоэффективный алмазный инструмент, изготовленный по оригинальной технологии с применением высоких давлений и температур, новых связок и алмазных материалов // Сверхтвердые материалы. 2001. № 6. С. 54 – 63.Bugakov V.I., Konyaev Yu.S. High-performance diamond tools manufactured by the original technology with the use of high pressures and temperatures, the new matrix of diamond materials. Sverkhtverdye materialy. 2001, no. 6, pp. 54–63. (In Russ.).Довбня А.В., Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Высокоэффективное бурение горных пород высокой твердости коронками на основе АСПК // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1982. № 3. С. 7 – 8.Dovbnya A.V., Bugakov V.I., Konyaev Yu.S. Highly effi cient drilling of rocks of high hardness by carbonado-based crowns. Almazy i sverkhtverdye materialy. 1982, no. 3, pp. 7–8. (In Russ.).Бугаков В.И., Елютин А.В., Караваев К.М. и др. Новый тип связок на основе никеля, легированного дибаридами титана и хрома, для алмазного камнеразрушающего инструмента // Изв. вуз. Цветная металлургия. 1998. № 5. C. 61 – 68.Bugakov V.I., Elyutin A.V., Karavaev K.M., Laptev A.I., Polushin N.I. A new type of matrices, based on nickel doped by dibarids of titanium and chromium, for diamond tools. Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya. 1998, no. 5, pp. 61–68. (In Russ.).Зайцев А.А., Вершинников В.И., Панов В.С. и др. Влияние технологических параметров спекания на структуру и свойства твердого сплава ВК5 из СВС- порошка карбида вольфрама // Изв. вуз. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 21 – 27.Zaitsev A.A., Vershinnikov V.I., Panov V.S., Levashov E.A., Borovinskaya I.P., Konyashin I.Yu., Rupasov S.I., Patsera E.I., Shumenko V.N., Zamulaeva E.I. Infl uence of production parameters of sintering on the structure and properties of VK5 hard alloy made of tungsten carbide SHS powder. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2014, vol. 55, no. 6, pp. 699–705.Zaytsev A.A., Borovinskaya I.P., Vershinnikov V.I. etc. Near-nano and coarse-grain WC powders obtained by the self-propagating high-temperature synthesis and cemented carbides on their basis. Part I. Structure, composition and properties of WC powders // Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015. Vol. 50. P. 146 – 151.Zaytsev A.A., Borovinskaya I.P., Vershinnikov V.I., Konya shin I.Yu., Patsera E.I., Levashov E.A., Ries B. Near-nano and coarse-grain WC powders obtained by the self-propagating high-temperature synthesis and cemented carbides on their basis. Part I: structure, composition and properties of WC powders. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015, vol. 50, pp. 146–151.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.