Анализ материалов, применяемых при нанесении покрытий детонационным методом на корпус алмазного долота

ВВЕДЕНИЕ                   которыми наплавляется корпус алмазного долота

В настоящее время алмазные долота PDC находят все большее применение при бурении скважин для разведки и добычи полезных ископаемых. Это связано с тем, что алмазные долота позволяют повысить механическую скорость при бурении, улучшить управляемость и ускорить строительство скважины, что приводит к значительному экономическому эффекту. Важно отметить, что у долот PDC отсутствуют подвижные части, а это значительно повышает надежность их работы и снижает количество аварий при бурении.

Долота PDC все чаще работают в агрессивных средах и при больших нагрузках, что приводит к выпадению зубков и поломке корпуса. В литературе [1,6] показано, что для увеличения износостойкости и прочности закрепления зубков необходимо применять твердосплавные покрытия, которые можно наносить на корпус долота различными методами. Эффективность применения твердосплавного покрытия зависит от его сцепляемости с поверхностью корпуса, износостойкости, твердости, толщины слоя покрытия и др. факторов.

Наиболее подходящими для армирования деталей буровых долот в долотостроении считаются вольфрамо - кобальтовые материалы, из которых изготавливаются металлокерамические зубки и

Болдырева Анастасия Сергеевна, аспирант кафедры ТМСИ «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ), инженер-конструктор ООО «ИСК» ПетроИнжиниринг».

PDC. Например, в конструкции шестилопастного долота PDC 220,7 РЕ 613DS1-Х04 на активном калибре используется зубок Г2652, который состоит из сплава ВК8-ВК ГОСТ 880-75 (рис. 1)

Для разработки технологии нанесения твердосплавного покрытия на корпуса алмазных долот необходимо выбрать материал твердого сплава, который обеспечивал бы все необходимые параметры для повышения износостойкости алмазного долота.

При выборе материала для нанесения покрытия детонационным способом анализировались именно вольфрамо-кобальтовые материалы с различным составом и различных производителей (США, Германии, России) [1].

Ниже приведена таблица 1 с различными материалами для покрытий, фирмами производителей, составом, размерами частиц и гранул.

В таблице 2 показаны численные значения адгезии, когезии и микротвёрдости покрытий рассматриваемых материалов.

В таблице 3 показаны численные значения коэффициентов трения и фрикционного износа покрытий.

В таблице 4 приведены показатели абразивного и эрозионного изнашивания покрытий.

Из приведенных таблиц следует, что наилучшие показатели всех свойств (а именно, высокие адгезия, когезия и микротвёрдость, но при этом

Рисунок 1. Общий вид долота PDC 220,7 РЕ 613DS1-Х04

Таблица 1. Используемые материалы покрытий на основе карбида вольфрама

Название материала	Производитель	Состав, %	Размер частиц, pm	Размер основных гранул
Diamalloy 2004	Sulzer Metco (USA)	88% WC+8% Со	11-45	>1 pm
Diamalloy 2005 NS	Sulzer Metco (USA)	88% WC+12% Со	5,5-45	>1 pm
80.71.1 W	GTV mbH, (Germany)	88% WC+8% Со	20-53	>1 pm
ВК 25	Russia (Уфа)	88% WC+25% Со	<50	>1 pm

Таблица 2. Адгезия, когезия и микротвёрдость покрытий

Покрытие Адгезия, МПа Когезия, МПа Микротвёрдость, МПа Содержание Со 8% Diamalloy 2004 129 199 8562 80.71.1 W 149 192 9104 Содержание Со 12% Diamalloy 2005 NS 257 200 10114 Содержание Со 25% ВК 25 197 199 7317 низкие значения абразивного и эрозионного изнашиваний), которые необходимы для нанесения покрытия на корпуса алмазного долота детонационным методом, присущи сплавам с 12% содержанием кобальта - сплав типа ВК12.

Поэтому для дальнейших испытаний выбрано покрытие Diamalloy 2005 NS (табл.2-4).

На рисунке 2 показан характер сцепления покрытия Diamalloy 2005 NS с поверхностью корпуса долота [1] (при увеличении х200).

Таблица 3. Коэффициент трения и фрикционный износ покрытий

Покрытие	Фрикционный износ, мм 3	Коэффициент трения (сухая поверхность)	Коэффициент трения (со смазкой)
Содержание Со 8% Diamalloy 2004	0,91	0,16	0,09
80.71.1 W	0,83	0,13	0,10
Содержание Со 12% Diamalloy 2005 NS	0,59	0,12	0,07
Содержание Со 25% ВК 25	0,97	0,22	0,13

Таблица 4. Абразивное и эрозионное изнашивание покрытий

Покрытие	Абразивное изнашивание, мм 3	Эрозионное изнашивание, мм 3
Содержание Со 8% Diamalloy 2004	0,92	0,28
80.71.1 W	0,73	0,23
Содержание Со 12% Diamalloy 2005 NS	0,65	0,23
Содержание Со 25% ВК 25	1,97	0,31

Рисунок 2. Косой срез образца с покрытием сплава ВК12 1-материал покрытия толщиной 200 мкм; 2-материал корпуса долота (сталь 40ХН2МА ГОСТ 4543-2016)

ВЫВОДЫ

• 1.    Сплав ВК 12 больше всего подходит для наплавки корпуса долота детонационным методом.

• 2.    Для достижения износостойкости при необходимом обеспечении высокой адгезии, когезии, микротвёрдости и низкой изнашиваемости необходимая толщина детонационного покрытия на корпус долота составляет 200 мкм.