Метою роботи є розробка наукових засад створення високоефективного алмаз- ного бурового інструменту для буріння нафтових та газових свердловин в породах середньої твердості та верхніх інтервалів твердих порід. Досягнення цієї мети здійснюється за рахунок вирішення таких задач: 1. Постановка та розв'язок нестаціонарної задачі теплопровідності для алмазно- го долота півсферичної форми в умовах буріння нафтових та газових свердловин. Установлення багатофакторної залежності впливу теплофізичних властивостей і мі- крогеометричних характеристик алмазовмісного шару композита та технологічних режимів буріння на температурний стан долота. 2. Розробка математичної моделі для визначення термопружного стану за раху-нок нерівномірного нагрівання та взаємодії робочої поверхні долота з гірською породою. Постановка та розв'язок контактної задачі термопружності за наявності зношування алмазного долота півсферичної форми в умовах буріння. 3. Дослідження основних параметрів композита і умов буріння, які істотно вплнвають на кінетику зношування алмазного долота. Розкриття механізму та вста-новлення кінетичних залежностей спікання композита і умов буріння на процес зношування алмазного долота. ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ 6 ВСТУП 10 РОЗДІЛ 1 ВИВЧЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ПРОБЛЕМИ БУРІННЯ АЛМАЗНИМ БУРОВИМ ІНСТРУМЕНТОМ ІНМ ТА ПОСТАВЛЕННЯ ЗАВДАНЬ ДОСЛІДЖЕННЯ 21 1.1. Аналіз роботоздатності породоруйнівного інструменту на бурових підприємствах ДК "Укргазвидобування" 22 1.2. Умови експлуатації пород оруйнівного інструменту та рекомендації щодо їх удосконалення 38 1.3. Аналіз основних теорій і концепцій зношування композиційних алмазовмісних матеріалів 43 1.3.1. Класичні підходи до зношування композиційних матеріалів 48 1.3.2. Дослідження зношування тіл за наявності на поверхні неоднакового тиску 62 1.3.3. Дослідження зношування матеріалів з урахуванням теплоутворення від тертя 70 1.4. Особливості проблеми і постановка завдань дослідження 76 РОЗДІЛ 2 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ АЛМАЗНИХ БУРОВИХ ІНСТРУМЕНТІВ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ СИЛОВИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ 80 2.1. Основна класифікація 81 2.2. Конструктивні особливості 85 2.2.1. Долота мікроріжучого типу 92 2.2.2. Долота ріжучого типу 95 2.2.3. Бурильні головки 96 2.2.4. Буровий інструмент спеціального призначення 98 2.3. Дослідження впливу конструктивних і технологічних факторів на довговічність породоруйнівного інструменту 101 2.3.1. Енергетичні параметри 101 2.3.2. Діаметр вставки 107 2.3.3. Швидкість буріння 110 2.3.4. Алмази 111 2.3.5. Концентрація і зернистість алмазів 113 2.4. Об'єкти і методи дослідження 118 2.5. Тепловий потік 122 2.6. Експериментальні дослідження зношування бурових вставок 128 2.7. Термостійкість і зносостійкість алмазно-твердосплавних пластин 136 РОЗДІЛ 3 ТЕМПЕРАТУРНІ ПОЛЯ ТА ТЕРМОПРУЖНИЙ СТАН АЛМАЗНИХ БУРОВИХ ДОЛІТ В ПРОЦЕСІ ЇХ РОБОТИ 147 3.1. Нестаціонарна задача теплопровідності для алмазного кільцевого свердла 148 3.1.1. Фізичні засади та математична постановка задачі дослідження 148 3.1.2. Розв'язок задачі 152 3.2. Температурний стан алмазного долота при бурінні гірської породи 156 3.2.1. Нестаціонарна задача теплопровідності для алмазного бурового долота 156 3.2.2. Фізичні передумови і математична постановка задачі дослідження 157 3.2.3. Розв'язок задачі 160 3.3. Аналіз температурних полів та їх фізична інтерпретація 167 3.4. Зв'язана контактна задача термопружності для алмазного бурового долота 173 3.4.1. Фізичні передумови і математична постановка задачі дослідження 175 3.4.2. Розв'язок задачі 178 3.5. Аналіз термопружного стану алмазного долота в процесі буріння гірських порід 182 РОЗДІЛ 4 МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСУ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ СПІКАННЯ І РОЗРОБКА ПОРОДОРУЙНІВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НОВОГО ПОКОЛІННЯ 192 4.1. Фізичні характеристики матеріалів і аналіз еволюції процесів, які відбуваються при спіканні 193 4.2. Методи хімічної кінетики. Ступінь перетворення і константа швидкості 206 4.3. Кінетика фізико-хімічних процесів, які відбуваються при спіканні бурових вставок алмаз - твердий сплав ВК6 методом гарячого пресування 216 4.3.1. Експериментальні дослідження процесу спікання 216 4.3.2. Фізичні основи і побудова математичної моделі 220 4.3.3. Кінетичний аналіз процесу спікання зразків 223 4.4. Структурні дослідження композитів системи алмаз - твердий сплав ВК6 233 4.4.1. Загальна характеристика дослідних зразків 233 4.4.2. Відмінності в мікроструктурі, механізмах руйнування і властивостей дослідних зразків 240 4.4.3. Обговорення результатів досліджень 245 4.5. Дослідження впливу добавок CrB2, W2B5, B4C до вихідної шихти твердий сплав ВК6 на формування структури і фазовий склад композита 248 4.6. Дослідження впливу CrB2, W2B5 і В4С на механічні характеристики бурових вставок 262 4.7. Дослідження механізму підвищеного алмазоутримання в композиті алмаз-(WC-Co-CrB2) 268 4.8. Зв'язок енергії активації процесів спікання із структурою і властивостями бурових вставок 274 РОЗДІЛ 5 КІНЕТИКА ЗНОШУВАННЯ ТА РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНИХ БУРОВИХ ІНСТРУМЕНТІВ. РЕЗУЛЬТАТИ ЇХ ВИРОБНИЧИХ ВИПРОБУВАНЬ 283 5.1. Актуальність і важливість проблеми 283 5.2. Фізичні передумови та математична постановка задачі 285 5.3. Розв'язок задачі 288 5.4. Аналіз результатів 291 5.5. Розробка конструкцій бурових інструментів на основі одержаних результатів досліджень 297 5.6. Удосконалена технологія буріння з використанням розробленого породоруйнівного інструменту, оснащеного АТП 302 5.7. Результати виробничих випробувань 307 ВИСНОВКИ 316 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 321 ДОДАТКИ 344