Prospects for using superhard composite materials to reinforce drilling tools for drilling rocks with a high hardness coefficient

UDC 622.24.051: 620.22: 621.921.34
Publication date: 28.03.2026
International Journal of Professional Science №3(2)-26

Prospects for using superhard composite materials to reinforce drilling tools for drilling rocks with a high hardness coefficient

Перспективы применения сверхтвердых композиционных материалов для армирования бурового инструмента при бурении пород с высоким коэффициентом крепости

Arno Veronika Vladimirovna
Kolesnichenko Eva Pavlovna
Garifulina Irina Yurievna,
Sharov Pavel Egorovich,
1. Ph.D., Associate Professor, Department of Geology and Mining,
North-Eastern State University, Magadan
2. Undergraduate Student
Master's Degree Program in State and Municipal Audit
Moscow State University, Moscow
3. Ph.D., Associate Professor, Department of Geology and Mining,
North-Eastern State University, Magadan
4. Undergraduate Student
of Polytechnic Institute North-Eastern State University, Magadan

Арно Вероника Владимировна
Колесниченко Ева Павловна,
Гарифулина Ирина Юрьевна,
Шаров Павел Егорович
1. Кандидат технических наук, доцент кафедры Геологии и горного дела ФГБОУ ВО Северо-Восточный государственный университет, г. Магадан
2. Студентка 3 курса
направления подготовки «Государственный и муниципальный аудит»
ВШГА МГУ им. М.В. Ломоносова, г.Москва
3. Кандидат технических наук, доцент кафедры Геологии и горного дела ФГБОУ ВО Северо-Восточный государственный университет, г. Магадан
4. Студент 3 курса
Политехнический институт
ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет
Аннотация: В работе представлен комплексный анализ перспектив применения сверхтвердых композиционных материалов для армирования бурового инструмента при разработке горных пород с высоким коэффициентом крепости. Рассмотрены современные композиционные материалы на основе поликристаллических алмазов (PDC), кубического нитрида бора (cBN) и карбида вольфрама (WC-Co). Проведен теоретический расчет параметров режима бурения и износостойкости инструмента. Установлено, что применение композитов с PDC-резцами повышает скорость проходки на 60-80% и снижает энергопотребление на 66% по сравнению с традиционным инструментом при бурении пород с коэффициентом крепости f=10-20. Представлены математические модели напряженно-деформированного состояния армированных композитов и экспериментальные данные по износостойкости. Результаты исследования показывают высокую эффективность сверхтвердых композиционных материалов для буровых работ в особо крепких породах.

Abstract: This paper presents a comprehensive analysis of the prospects for applying superhard composite materials for reinforcement of drilling tools in the development of rock formations with a high hardness coefficient. Modern composite materials based on polycrystalline diamonds (PDC), cubic boron nitride (cBN), and tungsten carbide (WC-Co) are examined. Theoretical calculations of drilling mode parameters and tool wear resistance are carried out. It is established that the use of composites with PDC cutters increases the rate of penetration by 60–80% and reduces energy consumption by 66% compared to conventional tools when drilling rocks with a hardness coefficient ranging f=10-20. Mathematical models of the stress-strain state of reinforced composites and experimental data on wear resistance are presented. The results of the study demonstrate the high efficiency of superhard composite materials for drilling operations in particularly hard rock formations.
Ключевые слова: сверхтвердые материалы, композиционные материалы, армирование, буровой инструмент, коэффициент крепости, PDC, износостойкость.

Keywords: superhard materials, composite materials, reinforcement, drilling tool, hardness coefficient, PDC, wear resistance.

Введение. Бурение горных пород с высоким коэффициентом крепости представляет собой одну из наиболее сложных технологических задач в горнодобывающей промышленности, нефтегазовом секторе и геологоразведке [1]. Породы категорий крепости II-I по классификации М.М. Протодьяконова (коэффициент крепости ) включают крепкие граниты, кварцевые порфиры, базальты, джеспиллиты и окремнелые песчаники, характеризующиеся пределом прочности на сжатие  МПа и выше [2][3].

Традиционные буровые инструменты с твердосплавными резцами демонстрируют низкую эффективность при работе в таких условиях вследствие интенсивного износа, что приводит к снижению скорости проходки, увеличению времени простоев и существенному росту эксплуатационных затрат[4]. Современные требования к повышению производительности буровых работ и снижению себестоимости обуславливают необходимость разработки и внедрения новых поколений бурового инструмента на основе сверхтвердых композиционных материалов [5].

 

Читать далее…

References

1. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника. Выпуск 13 / Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины. – Киев: ИСМ, 2012. – 352 с.
2. Протодьяконов М.М. Классификация горных пород по крепости // Система СИ. URL: https://ankergeo.ru/opredelenie-kreposti (дата обращения: 28.03.2026).
3. ГОСТ 21153.1-75. Породы горные. Методы определения показателя крепости по Протодьяконову / В.В. Ржевский. – М.: Издательство стандартов, 1975. URL: https://skarn.ru/spravochnaya-informatsiya/po-bureniyu/klassifikatsia-porod/ (дата обращения: 21.03.2026).
4. Сверхтвердый композиционный материал СКМР / ООО «СДС-Меркурий». – СПб., 2012. URL: http://www.sdsmercury.ru/production/almaznyj_instrument/ (дата обращения: 28.03.2026).
5. Классификация искусственных сверхтвёрдых материалов на основе нитрида бора // Синтетические сверхтвёрдые материалы. – 2025. URL: https://sued.ru/forging-machines/ (дата обращения: 28.03.2026).
6. Армирование полимеров: технология усиления композитов // Технологии композитных материалов. – 2025. URL: https://inner.su/articles/armirovanie-polimerov-ito/ (дата обращения: 28.03.2026).
7. Selecting Right Diamond Drills & Tools for Drilling Composites / UKAM Industrial Superabrasives. – 2025. URL: https://ukam.com/selecting-right-diamond-drills-tools/ (дата обращения: 24.03.2026).
8. Polycrystalline Diamond Compact (PDC) Bits for Oil & Gas Drilling / Accio Energy. – 2026. URL: https://www.accio.com/plp/polycrystalline-diamond-compact-pdc-bits (дата обращения: 20.03.2026).
9. Diamond PDC Drill Bit: High-Strength Matrix Wear Resistance / Kingpdc Manufacturing. – 2025. URL: https://www.kingpdc.com/diamond-pdc-drill-bit/ (дата обращения: 20.03.2026).
10. Математическое и численное моделирование напряженно-деформированного состояния вибро-ударного бурового инструмента // Научная электронная библиотека КиберЛенинка. – 2024. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-i-chislennoe-modelirovanie (дата обращения: 21.03.2026).
11. Новые материалы для деталей горных машин: композиты Al-Cr₃C₂ / ГИАБ (Горный информационно-аналитический бюллетень). – 2023. – № 12-1. – С. 149-163.
12. Zhang Y., Liu W., Chen X., et al. Enhanced drilling performance of impregnated diamond bits by introducing novel HEA binder phase // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2024. – Vol. 118. – Article 106234. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2023.106234
13. Гибридные композиционные материалы CVD-алмаз/cBN / Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН. – М., 2017. URL: http://jnas.nbuv.gov.ua/j-pdf/sm_2017_1_2.pdf (дата обращения: 28.03.2026).
14. Wear Resistance in 5-Blade Matrix Body PDC Drill Bits Explained / HNS Drill Bit Manufacturing Co. – 2026. URL: https://www.hnsdrillbit.com/knowledge/wear-resistance-pdc-bits (дата обращения: 20.03.2026).