AP08857201 Разработка высокоэффективного породоразрушающего инструмента для бурения скважин, оснащенного синтетическими алмазами и композиционными алмазосодержащими резцами с высокой прочностью и термостойкостью

Актуальность

Повышение эффективности разрушения горных пород буровым инструментом, ос­на-щенным синтетическими алмазами, требует применения алмазов по­вышенного качества с контролируемыми характеристиками по прочности, термостойко­сти и однородности состава.

В Институте сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины разработан и промышленно освоен адгезионно-магнитный способ сортировки, основанный на различии кристаллов алмаза по уровню дефектности поверхности.  Способ позволяет эффективно сортировать шлифпорошки алмазов, синтезированные в присутствии различных сплавов растворителей. При сортировке получены высококачественные элитные алмазные порошки, а именно - термостойкие, особопрочные в диапазоне марок от АС15 до АС400 и других . При этом возрастает в 2–3 раза однородность порошков по основным свойствам, в частности по прочности. Разработанный способ сортировки обладает высокой селективностью разделения.

Подтверждена возможность повышения износостойкости алмазосодержащих материалов матриц породоразрушающего инструмента с металлическими связками на основе меди методом введения в их состав оптимального количества износостойкого наполнителя.

С целью повышения износостойкости композиционных алмазосодержащих материалов на основе многокомпонентных металлических матриц, содержащих железо, медь, никель и олово с размерами частиц от 5 до 50 мкм в исходном состоянии, с добавками нанокристаллического порошка нитрида ванадия; проведены исследования влияния температуры вакуумного горячего прессования на их структуру, механические (микро- и нанотвердость, модуль упругости) и трибологические (сила трения и скорость изнашивания) свойства.

При разработке нового бурового инструмента использовано явленее, заключающиеся в образовании зоны разрушения горной породы, толщина которой кратно превышает глубину внедрения алмазного зерна. Это явление будет использовано в конструкции нового алмазного инструмента.

Значимость проекта в национальном и мировом масштабе заключается в следующем:

• создание алмазного породоразрушающего инструмента высокой износостойкости увеличит время разрушения забоя скважин в общем балансе времени бурения, что повысит производительность и экономичность буровых работ, особенно при использовании прогрессивного способа,
• бурение снарядами со съемными керноприемниками.

О значимости в международном масштабе свидетельствовали также сравнительные испытания алмазных буровых коронок, созданных авторами проекта, с инструментами ведущих буровых фирм. Упомянутые запатентованные инструменты показали самые высокие техно-экономические показатели, в сравнении с инструментами ведущих западных фирм.

Создание породоразрушающего инструмента с металоматричним композиционным алмазосодержащим материалом, обеспечивающим высокую степень алмазоудержания, высокую износостойкость и эффективность разрушения горной породы, является актуальной проблемой на современном этапе и способствует повышению объемов наращивания запасов полезных ископаемых, открытию новых закономерностей теории износа, материаловедения и практики бурения геологоразведочных скважин.

Результаты исследований и созданные в результате материалы высокой твердости и износостойкости с большим эффектом могут быть использованы также для вооружения породоразрушающих инструментов – долот для бурения нефтегазовых и гидрогеологических скважин.

Создание и внедрение высокоизносостойкого производительного породоразруша-ющего инструмента позволит ускоренными темпами разведывать и передавать в эксплуатацию новые месторождения полезных ископаемых, что укрепит минерально-сырьевую базу Казахстана и Украины.

Цель проекта

Разработка высокоэффективного породоразрушающего инструмента для бурения скважин в твердых и абразивных горных породах на основе новых видов многокомпонентных металломатричных алмазосодержащих композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, и с учетам особенностей явлений, возникающих в горной породе при внедрении алмазных зерен.

Ожидаемые результаты:

Ожидаемый научный и социально-экономический эффект – развитие научно-технологических основ повышения износостойкости бурового инструмента и интенсификации процесса алмазного бурения. Ожидается рост производительности бурения на 15-20% снижение стоимости работ на 5-10% и в целом повышение эффективности буровых работ.

Применимость ожидаемых результатов: полученные при проведении лабораторных исследований результаты будут направлены на создание высокоэффективного породоразрушающего инструмента на основе разработанных новых видов многокомпонентных металломатричных алмазосодержащих композитов и использование физических явлений, возникающих в разрушаемой горной породе при внедрении алмазного зерен. Это позволит в производственных условиях повысить эффективность бурения скважин в твердых и абразивных горных породах.

Потенциальные потребители ожидаемых результатов: полученные результаты могут быть использованы другими буровыми организациями, занимающимися строительством не только геологоразведочных но и геотехнологических, гидрогеологических и нефтяных скважин.

Достигнутые результаты:

Разработаны и экспериментально проверены методы повышения работоспособности алмазных буровых коронок, заключающиеся в повышении качества используемых для их оснащения синтетических алмазов с учетом их физико-механических свойств и износостойкости КАМ

Имена и фамилии членов исследовательской группы с их идентификаторами:

1. Ратов Боранбай Товбасарович – научный сотрудник

2. Бондаренко Николай Александрович – главный научный сотрудник

3. Федоров Борис Владимирович - главный научный сотрудник

4. Мечник  Владимир Аркадьевич - ведущий научный сотрудник

5. Исонкин Александр Михайлович - старший научный сотрудник

6. Коргасбеков Дархан Рахметоллаевич – исполнитель
   Профиль преподавателя

7. Байбоз Ақниет Раббимұлы - младший научный сотрудник
   Профиль преподавателя

8. Музаппарова Акерке Бакбергеновна - младший научный сотрудник

9. Косьминов Артур Сергеевич - инженер I категории

10. Руслякова-Куприянова Инна Александровна -  инженер I категории

Список публикаций:

1. Ратов Б.Т., Косьминов А.С. и др. Опыт разработки и изготовления бурового инструмента на примере организации ТОО «СК Геосервис» // II Международной научно-практической конференции «Современные тенденции геологоразведочной и нефтяной инженерии» – Алматы, 2021. – 121 стр. ISBN 978-601-7940-24-9

2. Ратов Б.Т., Бондоренко Н.А., Мечник В.А., Стрелчук В.В., Колодницкий В.Н., Николенко А.С., Коростишевський Д.Л., Пошванюк Н.Ф. Особенности микроcтруктуры  композитов WC-Co упрачненных добавкой  CrB2  / Инструментальное материаловедение. Сборник научных трудов. – Вып. 24. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, НАН Украины, г.Литохоро, 19–25 сентября 2021 г. С: 27–36. ISSN 2223-3938.,  DOI: 10.33839/2708-731X-23-1-50-65

3. Mechnik, V.A., Bondarenko, N.A., Kolodnitskyi, V.M., Zakiev V.I., Zakiev I.M., Gevorkyan E.S., Kuzin N.O., Yakushenko, O.S., Semak, I.V. Comparative Study of the Mechanical and Tribological Characteristics of Fe–Cu– Ni–Sn Composites with Different CrB2 Content under Dry and Wet Friction // Journal of Superhard Materials. 2021. Vol. 43, no. 1. P. 52–64. 

4. V. A . Mechnika, N. A. Bondarenko, V. M. Kolodnitskyi, V. I. Zakiev, I. M. Zariev, E. S. Gevorkyan, V. A. Chishkala, N. O. Kuzin. Effect of CrB2 on the Microstructure, Properties, and Wear Resistance of Sintered Composite and the Diamond Retention in Fe–Cu–Ni–Sn Matrix  // J. Superhard Mater. 2021. Vol. 43, no. 3. P. 175–190.

5. Ratov B. T., Bondarenko M. O., Mechnik V. A., Strelchuk V. V., Prikhna T. A., Kolodnitskyi V. M., Nikolenko A. S., Lytvyn P. M., Danylenko I. M., Moshchil V. E., Gevorkyan E. S., Kosminov A. S., Borash A. R. Structure and Properties of WC–Co Composites with Different CrB2 Concentrations, Sintered by Vacuum Hot Pressing, for Drill Bits // ISSN 1063-4576, Journal of Superhard Materials, 2021, Vol. 43, No. 5, pp. 344–354. © Allerton Press, Inc., 2021.

6. Ratov B.T., Mechnik V.A., Bondarenko M.O., Kolodnitskyi V.M., Kuzin N.O., Gevorkyan E.S., Chishkala V.A. Influence of VN additive on the structure and strength characteristics of diamond-containing composites based on the Fe‒Cu– Ni–Sn matrix formed by the method of cold pressing followed by vacuum hot pressing // // ISSN 1063-4576, Journal of Superhard Materials, 2021, Vol. 44, No. 6, pp. 49–63. © Allerton Press, Inc., 2021.

7. Ратов Б. T., Федоров Б.В., Исонкин А.М., Сыздыков А.Х. Ильницкая Г.Д. Основные направления совершенствования алмазных буровых коронок // Журнал Нефть И Газ №5 (125) 2021г. С: 46-59.  (ISSN 1562-2932 / 2708-0080). г. Алматы