Чтение онлайн

Основная сложность при работе с алмазами состоит в том, что для каждой разновидности пород необходимо очень тщательно подбирать соответствующую ей марку коронки. Почему? Для начала давайте посмотрим, что представляет собой керновая алмазная коронка (рис. 25). Короткий тонкостенный цилиндр-корпус в верхней части имеет ленточную резьбу для соединения с расширителем либо непосредственно с колонковой трубой; в нижней торцевой части находится матрица — кольцевой металло-керамический сплав, включающий в себя мелкие технические алмазы. В матрице делаются прорези-каналы для выхода промывочной жидкости.

Диаметры таких коронок меняются от 26 до 112 мм (всего выпускаются коронки семи стандартных размеров). Коронки малых размеров применяют для лабораторных исследований и при поисковом бурении, средние — при разведке месторождений на глубинах до 1000–3000 м, большие — при проходке скважин на уголь и при различных инженерных исследованиях.

По крупности алмазов, а также по способу размещения их в матрице алмазные коронки бывают двух типов: однослойные с поверхностной вставкой алмазов в матрице и импрегнированные, в которых очень мелкие зерна алмазов равномерно рассеяны по всей массе матрицы. Во всех случаях по мере углубки скважины матрица постепенно снашивается, все более обнажая алмазы.

Крупность и масса алмазов измеряются в каратах. Название произошло через итальянское carato от греческого названия стручков рожкового дерева keration. Масса сухих косточек плода этого растения, удивительно идентичных друг другу, служила в древности единицей массы сначала для жемчуга, а затем и для других драгоценных камней. Международной единицей карат стал в 1913 г., после того как Международный комитет мер и весов в Париже предложил принять метрический карат, равный 200 мг (или 0,2 г), в качестве официальной единицы измерения.

Масса алмазов, встречающихся в природе, изменяется от тысячных долей карата до нескольких сотен и тысяч карат. Самый крупный найденный на Земле алмаз, названный «Куллинан», весил 3106 карат. Чаще же всего попадаются мелкие кристаллы и их обломки массой от 0,05 до 0,4 карата.

В технике сейчас применяют алмазы в количествах, измеряемых тысячами и миллионами карат, поэтому для перевода полезно запомнить: 1 г = 5 карат; 1 кг = 5000 карат; 1 тонна = = 5 000 000 карат.

Однослойные коронки армируются алмазами крупностью от 2–5 до 90 штук на один карат. В импрегнированных коронках применяются такие алмазы, которых на один карат приходится от 120 до 600 штук (!) и более (до 2000); в сущности, это уже тонкий алмазный порошок, разглядеть отдельные зерна в нем можно только под микроскопом. Общая масса всех алмазов в коронке колеблется от 3 до 24 карат, т. е. обычно не превышает одного-пяти граммов.

Импрегнированные алмазные коронки предназначаются для бурения особо твердых и трещиноватых пород с высокими абразивными свойствами, однослойные — менее твердых разновидностей. В мягких породах, таких как известняки, мергели, доломиты, применяются специальные коронки с крупными (от 2 до 12 штук на один карат) алмазами.

Весьма существенную роль играет и прочность самой матрицы. По твердости и износоустойчивости матриц выпускаемые сейчас коронки подразделяются на три типа. Если в твердых, абразивных породах поставить коронку с мягкой матрицей, то она быстро износится — алмазы выпадут, коронку придется заменять. И наоборот, — очень твердые матрицы в неабразивных породах почти не стачиваются (как говорят в таких случаях, — «коронка заполировалась») и алмазы перестают работать.

Таким образом, алмазные керновые коронки имеют семь разновидностей по размерам, две — по характеру распределения зерен, три — по твердости матриц и множество — по крупности алмазов и по общей их массе. Если же представить, что все эти разновидности еще сочетаются между собой (например, коронки диаметром 59 мм могут быть однослойными и импрегнированными, каждая из них имеет три типа матриц, которые в свою очередь армированы различными алмазами…), то получим длинный ряд коронок различных марок. И все они выпускаются промышленностью, и все находят себе применение. Главное — подобрать для отбуриваемой породы соответствующую ей марку коронки. Тогда и отдача от алмазов будет максимальной, не сравнимой с возможностями никакого другого материала на Земле, ни природного, ни искусственного. Таковы алмазы.

Насколько мы убедились, осложнений при работе с алмазным инструментом бывает более чем достаточно. Однако если набраться терпения и исполнить все прихоти этого капризного материала (хорошо вычистить забой, избавиться от вибрации, подобрать нужную коронку и тщательно следить за режимом работы станка), то алмазы с лихвой оправдают себя пробуренными метрами скважины, причем пройдена она будет на большой скорости при высокой стойкости (высоком ресурсе) коронок, а следовательно, с малым числом трудоемких подъемов бурового снаряда на поверхность.

Запасы природных технических алмазов, как и любого другого минерала на Земле, ограниченны. А бурно развивающиеся из года в год геологоразведочные работы требуют для бурения все большего и большего количества алмазных коронок. Поэтому в пашей стране успешно используются в буровом инструменте синтетические алмазы.

Попытки синтезировать алмазы начались практически сразу же после того, как стало известно, что графит и алмаз состоят лишь из углерода, но синтезирован алмаз был только в 50-х годах текущего столетия. Однако создать алмаз в лаборатории — это полдела. Главное — наладить его производство в промышленности. В наши дни во многих странах (СССР, ЧССР, Англия, США, Япония, Франция и др.) выпускаются искусственные алмазы. Постоянно совершенствуются и методы синтеза алмаза, так как развитие техники и промышленность непрерывно требуют новых видов сверхтвердых материалов повышенного качества.

Кроме монокристаллов были синтезированы поликристаллические алмазы типа «баллас» и «карбонадо». Алмазы этого типа, встречающиеся и среди природных алмазов, состоят из мелких кристаллов, соединенных между собой. Для применения в технике поликристаллические материалы в ряде случаев предпочтительнее, поскольку их свойства по различным направлениям одинаковы. Искусственные баллас и карбонадо по прочности не уступают природным алмазам. Буровые коронки из дробленого синтетического карбонадо по работоспособности даже лучше коронок, оснащенных естественными алмазами.

Ради справедливости следует отметить, однако, что для бурения в особо сложных геологических условиях (твердые, раздробленные, трещиноватые, абразивные породы) по-прежнему используют природные алмазы. Но связано это не со свойствами синтетических карбонадо, а скорее, с применяемыми ныне способами изготовления буровых коронок. Матрица этих коронок, в которой размещаются алмазы, делается из весьма тугоплавких металлов, значит, для изготовления коронок нужен длительный нагрев при очень высоких температурах. Синтетический же карбонадо включает в себя значительное количество примесей металлов, применяемых при синтезе алмаза. При нагревании эти примеси взаимодействуют с алмазными зернами и поликристаллический материал теряет свою прочность. К сожалению, при остывании прочность уже не восстанавливается.

Низкая термопрочность синтетических карбонадо, т. е. уменьшение его прочности после нагревания, заставила ученых искать новые способы получения подобных материалов, но обладающих высокой термопрочностью. И такой способ был найден, это — спекание тонких алмазных порошков при высоких давлениях. Спекаемые алмазные материалы называют «спёками» или «компактами».

В настоящее время синтетическими алмазами все настойчивее вытесняются технические природные. Росту доли применения синтетических алмазов в технике способствует в значительной степени меньшая их стоимость. Например, в мире (без СССР) синтетические алмазы составляют в технике по массе около 80 % всех алмазов, тогда как их стоимость выражается всего лишь 25–30 % от общей стоимости всех алмазов.