Алмазное бурение. «Драгоценный» инструмент

Алмазное оборудование для разрушения породы используют в горной промышленности уже более 150 лет, с момента изобретения алмазной коронки. И по-прежнему это решение — один из самых популярных буровых инструментов.

«Природа» или «синтетика»?

Правда, за прошедшие годы абразивная оснастка претерпела значительное изменение. Так, натуральные алмазы, используемые в коронках и долотах, почти полностью вытеснены получаемым из графита искусственным камнем. Натуральный алмаз не только дороже, он может иметь трещины, сколы, включения, примеси, которые снижают его износостойкость. Алмазный же порошок, из которого синтезируют камень, обладает однородной структурой и значительно превосходит природный продукт по режущим качествам. В ряде случаев прочность инструмента, синтезированного из порошков синтетических алмазов, может быть больше, чем прочность порошков природных алмазов, в 1,5–2 раза.

«Практически 100% современных алмазных коронок для бурения твёрдых горных пород всех производителей в мире армированы синтетическими монокристаллическими алмазами достаточно высокого качества.

Природные алмазы могут ещё использовать в небольшом объёме для оснащения однослойных коронок и долот для бурения в мягких и средней твёрдости горных породах. Некоторые производители используют «природу» для оснащения подрезного слоя алмазных коронок, а также в однослойных алмазных расширителях.

Хорошие синтетические алмазы несущественно, но, конечно, дешевле природных алмазов аналогичной зернистости (хотя порой цена одинаковая). По своим прочностным свойствам, а также по термостойкости наиболее качественные синтетические алмазы не уступают природным.

При этом синтетические монокристаллы имеют чётко выраженные грани ромбододекаэдра, что обеспечивает значительно более высокую режущую способность при бурении, чем у технического природного алмазного сырья», — отмечает технический директор ООО ТД «ЭЗТАБ» Николай Кисляков.

Большинство ведущих предприятий горнодобывающей промышленности оценили все преимущества синтетического алмаза и активно используют его в своей работе.

«В «Газпром нефти» все скважины, требующие применения резцов из сверхтвёрдых материалов, бурят с применением породоразрушающего инструмента с резцами из АТП (алмазно-твердосплавных пластин, где алмазный слой является поликристаллическим — РDC).

При этом крупные алмазы (более 1 мм) не используют вообще. Сами поликристаллические пластины изготавливают из микропорошков синтетических алмазов. По нашей экспертной оценке, для синтеза поликристаллических резцов производители используют только порошки из синтетических алмазов.

Синтетические алмазы ничуть не уступают по свойствам натуральным. Несомненным плюсом микропорошков синтетических алмазов, отличающим их от природных, является их однородный состав, что позволяет производителям получать стабильное качество пластин.

При бурении крепких пород применение алмазных резцов просто необходимо. При этом долото с алмазными резцами демонстрирует более высокую экономическую эффективность и на более мягких породах», — рассказывает эксперт Научно-технического центра «Газпром нефти» Артём Закиров.

Драгоценная экономика

При этом, по словам Николая Кислякова, стоимость алмазного импрегнированного инструмента (в котором используют алмазное сырьё до 800–1000 мкм) существенно не изменилась.

Возможно, отчасти это связано с тем, что основные мировые производители (Boart Longyear, Atlas Copco, Сhristensen и др.) с 1980–90-х годов разрабатывали импрегнированные коронки для комплексов ССК с использованием синтетического сырья.

Активный переход на использование искусственных материалов при изготовлении породоразрушающих инструментов способствовал в некоторых случаях даже удешевлению оборудования.

«Начало массового производства АТП и алмазных микропорошков в Китае привело к значительному снижению цен на резцы. Сейчас самый дешёвый PDC-резец диаметром 13 мм на рынке стоит около 20$, но имеются и премиальные резцы по 200–300$ за штуку. Стоимость резцов определяется технологией синтеза (давления, температура и время спекания) и расходами на обработку заготовок, стоимость алмазного порошка составляет всего 5–10% от итоговой стоимости», — поясняет Артём Закиров.

Помимо экономической составляющей, одна из важных причин, по которым горнодобывающие предприятия делают выбор в пользу синтетических алмазов, — их долговечность и износостойкость по сравнению с натуральным сырьём.

Однако важную роль в этом вопросе играет целый комплекс факторов: процесс производства материала, точность подбора инструмента в зависимости от породы, мастерство бурильщика и т. д.

«Всё перечисленное влияет на срок службы инструмента. Над каждым из факторов ведётся постоянная работа с целью повышения показателей отработки долот. Постоянно тестируются новые резцы и дизайны инструмента.

Так, Научно-технический центр «Газпром нефти» успешно испытал прототип резцов для бурового оборудования с применением нового сверхтвёрдого материала — пентаборида вольфрама. Уникальный материал, разработанный по заказу «Газпром нефти», на 30% прочнее и в два раза устойчивее к высоким температурам, чем применяемые сегодня в производстве резцов аналоги», — уточнил Артём Закиров.

Алмазные инструменты на выбор

Отметим, что из всех видов алмазного инструмента буровая коронка работает в наиболее тяжёлых условиях. Неоднородность горных пород, сочетание нагрузок, а также отсутствие оперативного контроля за состоянием режущей части коронки могут привести к быстрому износу оборудования. Именно поэтому так важен правильный выбор качества используемых алмазов.

«Безусловно, одну универсальную коронку на все типы горных пород сделать невозможно. Горные породы имеют огромное разнообразие по таким свойствам, как трещиноватость, зернистость, крепость, абразивность, имеют различный литологический состав, структуру, текстуру и т. д.

Основные производители алмазного породоразрушающего инструмента имеют линейку коронок (от 5 до 10 типов) для разных горно-геологических условий бурения, где определённым образом сочетаются такие параметры алмазной коронки, как твёрдость и износостойкость матрицы (состав матричной композиции), крупность и качество алмазного сырья и пр.

При производстве буровых работ на месторождениях твёрдых полезных ископаемых в основном используются алмазные импрегнированные коронки (в горных породах от VIII до XII категорий по буримости), в породах VI–VIII категорий применяют коронки резцового типа с поликристаллическими алмазными элементами, в очень мягких породах III–VI категорий бурение производят твердосплавными коронками.

На работоспособность и эффективность алмазного инструмента влияют два основных фактора: правильный и грамотный подбор алмазных коронок к конкретным условиям бурения на конкретном участке работ и, безусловно, опыт, профессионализм, грамотное соблюдение технологии бурения от всего состава буровой бригады», — уверен Николай Кисляков.

Откуда алмазы?

Несмотря на то что алмазный породоразрушающий инструмент давно и прочно завоевал рынок, выбор качественных производителей здесь до сих пор не так уж и велик.

«Большую часть PDC-резцов в РФ импортируют из Китая, часть резцов ввозят из США и Европы. В мире больше десятка крупных производителей АТП и PDC резцов, а производственные мощности Китая могут полностью покрыть всю отечественную потребность в подобном продукте.

До 2018 года в России не было ни одного отечественного производителя серийных PDC-резцов для буровых долот. Поэтому компания «Газпром нефть» в рамках реализации дорожных карт по импортозамещению провела большую работу по активизации данного направления производства в стране.

Сегодня технологию самостоятельно осваивают по меньшей мере два отечественных производителя, но этого объёма пока что недостаточно для покрытия всей потребности», — считает Артём Закиров.

Однако, несмотря на пока ещё довольно низкие объёмы производства, российская продукция постепенно составляет конкуренцию известным импортным брендам.

«По большому счёту, на рынке используют коронки ограниченного числа производителей, как известных зарубежных брендов, так и наших отечественных — только тех, кто многие годы держит свою марку качества в условиях нарастающей конкуренции.

По моим оценкам, качественный алмазный инструмент на рынок поставляют 10–15 зарубежных производителя и 4–5 отечественных. (Даже в Китае по-настоящему качественный конкурентоспособный буровой алмазный инструмент можно считать у двух-трёх заводов, хотя там почти в каждом городе, деревне можно найти от единиц до десятков производств, выпускающих алмазный породоразрушающий инструмент.

Но качество низкое, и его не исправить даже демпинговой ценой).

У лучших зарубежных фирм в этой области показатели (ресурс, механическая скорость бурения) немного выше, чем у лучших наших фирм. И то не всегда. Но цена порой значительно выше. Мы во многом сравниваемся с ними по проходке, в меньшей степени по скорости, и во многих случаях показатель «цена-качество» уже на нашей стороне.

К тому же санкции, контрсанкции, кризисы, вирусы, высокие цены и т. д. снижают объём импортного инструмента на отечественном рынке и благоприятствуют продвижению наиболее известных отечественных брендов», — подводит итог Николай Кисляков.

СПРАВКА

В 1954 году американская компания General Electric синтезировала алмаз из графита и первая в мире запатентовала своё изобретение. После этого технологию быстро освоили в Бельгии, Японии, Англии, Ирландии и других странах.

Текст: Людмила Шеваникова