Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University102110.18323/2782-4039-2025-1-71-1ArticlesСтатьиResearch ArticleDevelopment of a laboratory tribotechnical facility for testing PDC cutters for wearРазработка лабораторного триботехнического комплекса для испытаний PDC-резцов на изнашиваниеhttps://orcid.org/0000-0002-0503-2533KolibasovVladimir A.КолибасовВладимир Александрович
Russian Federation

postgraduate student, assistant of Chair “Machinery and Equipment of Petroleum and Chemical Production”

аспирант, ассистент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств»

mahp@samgtu.ruIbatullinIldar D.ИбатуллинИльдар Дугласович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head “Chair of Machinery and Equipment of Petroleum and Chemical Production”

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств»

idi71@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8052-305XNovikovVladislav A.НовиковВладислав Александрович
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Metal Science, Powder Metallurgy, Nanomaterials”, senior researcher of the Laboratory of X-ray Diffractometry, Electron and Probe Microscopy

кандидат технических наук, доцент кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы», старший научный сотрудник лаборатории рентгеновской дифрактометрии, электронной и зондовой микроскопии

vladislav_novyi@mail.ruSamara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет3103202519192803202528032025Copyright ©; 2025, Kolibasov V.A., Ibatullin I.D., Novikov V.A.Copyright ©; 2025, Колибасов В.А., Ибатуллин И.Д., Новиков В.А.2025Kolibasov V.A., Ibatullin I.D., Novikov V.A.Колибасов В.А., Ибатуллин И.Д., Новиков В.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1021

In the practice of drilling oil and gas wells with diamond bits equipped with PDC cutters, cutter quality non-compliance with the declared class occurs. At the same time, the currently used methods of full-scale testing, when granite stone is used as a counterbody, are time-consuming and expensive, which complicates their use for prompt incoming inspection of new batches of PDC cutters arriving for assembly of diamond bits. This necessitated the development of a laboratory tribotechnical facility for quantitative assessment of the ability of PDC cutters to resist abrasion against abrasive materials. The study covers the development of a specialized tribotechnical facility that allows testing PDC cutters of various sizes for wear during friction against a diamond-containing metal work face, for which it is proposed to use diamond cutting wheels. The developed laboratory tribotechnical facility includes: an electromechanical rotary drive (a drilling-and-milling machine); a measuring unit with sensors for normal loads, friction force and temperature of cutter self-heating during testing; a lever loading mechanism; a set of mandrels for the possibility of installing PDC cutters of various sizes; a data collection system and licensed software. The results of practical evaluation of the developed laboratory tribotechnical facility on PDC cutters of various batches showed that testing on the new equipment allows for quick collection of data on the wear rate of the working edges of PDC cutters. The developed methods, equipment and criteria can be used to certify the wear resistance of PDC cutters.

В практике бурения нефтегазовых скважин алмазными долотами, вооруженными PDC-резцами, имеют место случаи несоответствия качества резцов заявленному классу. При этом применяемые в настоящее время методы натурных испытаний, когда в качестве контртела используют гранитный камень, являются длительными и дорогостоящими, что затрудняет их применение для оперативного входного контроля новых партий PDC-резцов, поступающих на сборку алмазных долот. Это обусловило необходимость разработки лабораторного триботехнического комплекса для количественной оценки способности PDC-резцов противостоять истиранию об абразивные материалы. Исследование посвящено разработке специализированного триботехнического комплекса, позволяющего проводить испытания на изнашивание PDC-резцов различных типоразмеров при трении об алмазосодержащий металлический забой, в качестве которого предложено использовать алмазные отрезные диски. В состав разработанного лабораторного триботехнического комплекса входят: электромеханический привод вращения (станок сверлильно-фрезерной группы); измерительный блок с датчиками нормальных нагрузок, силы трения и температуры саморазогрева резца при испытаниях; рычажный механизм нагружения; набор оправок для возможности установки PDC-резцов различных типоразмеров; система сбора данных и лицензионное программное обеспечение. Результаты апробации разработанного лабораторного триботехнического комплекса на PDC-резцах различных партий показали, что испытания на новом оборудовании позволяют достаточно быстро получать данные о скорости изнашивания рабочих кромок PDC-резцов. Разработанные методики, оборудование и критерии можно использовать для возможности сертификации износостойкости PDC-резцов.

diamond bitPDC cuttertribotechnical facilitydiamond-containing metal work faceалмазное долотоPDC-резецтриботехнический комплексалмазосодержащий металлический забойNeskoromnykh V.V., Popova M.S., Parakhonko E.V. Development of rock cutting tool with PDC cutters. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2020, vol. 331, no. 2, pp. 131–138. DOI: 10.18799/24131830/2020/2/2499.Нескоромных В.В., Попова М.С., Парахонько Е.В. Разработка породоразрушающего инструмента с резцами PDC // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 2. С. 131–138. DOI: 10.18799/24131830/2020/2/2499.Nenashev M.V., Ibatullin I.D., Zhuravlev A.N., Kosulin S.I. Engineering tools and methods of PDC bits entrance quality control. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, 2011, vol. 13, no. 4-3, pp. 835–838. EDN: PCLSTT.Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Журавлев А.Н., Косулин С.И. Технические средства и методики входного контроля качества PDC зубков алмазных буровых долот // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 4-3. С. 835–838. EDN: PCLSTT.Konyashin I., Zaitsev A.A., Sidorenko D. et al. On the mechanism of obtaining functionally graded hardmetals. Materials Letters, 2017, vol. 186, pp. 142–145. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.09.130.Konyashin I., Zaitsev A.A., Sidorenko D. et al. On the mechanism of obtaining functionally graded hardmetals // Materials Letters. 2017. Vol. 186. P. 142–145. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.09.130.Bogomolov R.M., Serikov D.Yu. Improvement of the cutting structures of the rolling cutter drill bits. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa, 2018, no. 5, pp. 24–28. DOI: 10.30713/1999-6934-2018-5-24-28.Богомолов Р.М., Сериков Д.Ю. Совершенствование вооружения шарошечного бурового долота // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. № 5. С. 24–28. DOI: 10.30713/1999-6934-2018-5-24-28.Vasilev A.A., Serikov D.Yu., Bliznyukov V.Yu. Improvement of drill bits of different types. Stroitelstvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more, 2019, no. 6, pp. 28–31. DOI: 10.30713/0130-3872-2019-6-28-31.Васильев А.А., Сериков Д.Ю., Близнюков В.Ю. Совершенствование буровых долот различных типов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2019. № 6. С. 28–31. DOI: 10.30713/0130-3872-2019-6-28-31.Neskoromnykh V.V., Popova M.S., Komarovskiy I.A., Baochang L. Concave PDC cutter. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2022, vol. 333, no. 4, pp. 181–192. DOI: 10.18799/24131830/2022/4/3488.Нескоромных В.В., Попова М.С., Комаровский И.А., Баочанг Л. Резцы PDC с вогнутой поверхностью режущей грани // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 4. С. 181–192. DOI: 10.18799/24131830/2022/4/3488.Tretyak A.A., Krivosheev K.V. Winning combination of PDC cutter arrangement on a rock-destructing tool. Delovoy zhurnal Neftegaz.RU, 2025, no. 3, pp. 36–40. EDN: NCPITK.Третьяк А.А., Кривошеев К.В. Выигрышная комбинация расположения резцов PDC на породоразрушающем инструменте // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2025. № 3. С. 36–40. EDN: NCPITK.Bellin F., Dourfaye A., King W., Thigpen M. The current state of PDC bit technology. Part 1 of 3: Development and application of polycrystalline diamond compact bits have overcome complex challenges from the difficulty of reliably mounting PDC cutters in bit bodies to accelerated thermal wear. World Oil, 2010, pp. 41–46.Bellin F., Dourfaye A., King W., Thigpen M. The current state of PDC bit technology. Part 1 of 3: Development and application of polycrystalline diamond compact bits have overcome complex challenges from the difficulty of reliably mounting PDC cutters in bit bodies to accelerated thermal wear // World Oil. 2010. P. 41–46.Kolibasov V.A., Ibatullin I.D., Parfenov K.V., Gordeeva E.S. Development of procedure and device for abrasion test of PDC cutters. Neftegazovoe delo, 2024, vol. 22, no. 6, pp. 53–62. DOI: 10.17122/ngdelo-2024-6-53-62.Колибасов В.А., Ибатуллин И.Д., Парфенов К.В., Гордеева Е.С. Разработка методики и устройства для испытания PDC резцов на абразивное изнашивание // Нефтегазовое дело. 2024. Т. 22. № 6. С. 53–62. DOI: 10.17122/ngdelo-2024-6-53-62.Kuftyrev R.Y., Polushin N.I., Kotel’nikova O.S., Laptev A.I., Sorokin M.N. Wear resistance of polycrystalline diamond cutters for drill bits. Steel in Translation, 2017, vol. 47, no. 9, pp. 594–598. DOI: 10.3103/S096709121709008X.Куфтырев Р.Ю., Полушин Н.И., Котельникова О.С., Лаптев А.И., Сорокин М.Н. Износостойкость PDC режущих элементов, применяемых для комплектации PDC буровых долот // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 9. С. 745–751. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-9-745-751.Trushkin O.B., Akchurin Kh.I. PDC cutter pressure on plastic-brittle rock in the process of its destruction. Journal of Mining institute, 2020, vol. 244, pp. 448–453. DOI: 10.31897/PMI.2020.4.7.Трушкин О.Б., Акчурин Х.И. Давление резцов PDC на пластично-хрупкую горную породу в процессе ее разрушения // Записки Горного института. 2020. Т. 244. С. 448–453. DOI: 10.31897/PMI.2020.4.7.Kanyanta V., Ozbayraktar S., Maweja K. Effect of manufacturing parameters on polycrystalline diamond compact cutting tool stress-state. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2014, vol. 45, pp. 147–152. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.03.009.Kanyanta V., Ozbayraktar S., Maweja K. Effect of manufacturing parameters on polycrystalline diamond compact cutting tool stress-state // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014. Vol. 45. P. 147–152. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.03.009.Moseley S.G., Bohn K.P., Goedickemeier M. Core drilling in reinforced concrete using polycrystalline diamond (PDC) cutters: wear and fracture mechanisms. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, vol. 27, no. 2, pp. 394–402. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.11.014.Moseley S.G., Bohn K.P., Goedickemeier M. Core drilling in reinforced concrete using polycrystalline diamond (PDC) cutters: wear and fracture mechanisms // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2009. Vol. 27. № 2. P. 394–402. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.11.014.Borisov K.I., Rubtsov V.L. Analytical investigation of rock temporal strength property at PDC cutting. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2014, vol. 325, no. 1, pp. 172–178. EDN: SITAEP.Борисов К.И., Рубцов В.Л. Аналитическое исследование временной прочностной характеристики горной породы при резании-скалывании резцами PDC // Известия Томского политехнического университета. 2014. Т. 325. № 1. С. 172–178. EDN: SITAEP.Yahiaoui M., Gerbaud L., Paris J.-Y., Denape J., Dourfaye A. A study on PDC drill bits quality. Wear, 2013, vol. 298-299, pp. 32–41. DOI: 10.1016/j.wear.2012.12.026.Yahiaoui M., Gerbaud L., Paris J.-Y., Denape J., Dourfaye A. A study on PDC drill bits quality // Wear. 2013. Vol. 298-299. P. 32–41. DOI: 10.1016/j.wear.2012.12.026.Ahmed O.S., Adeniran A.A., Samsuri A. Computational intelligence based prediction of drilling rate of penetration: a comparative study. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2019, vol. 172, pp. 1–12. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.09.027.Ahmed O.S., Adeniran A.A., Samsuri A. Computational intelligence based prediction of drilling rate of penetration: a comparative study // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 172. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.09.027.Zhao Y., Noorbakhsh A., Koopialipoor M., Azizi A., Tahir M.M. A new methodology for optimization and prediction of rate of penetration during drilling operations. Engineering with Computers, 2019, vol. 3, pp. 587–595. DOI: 10.1007/s00366-019-00715-2.Zhao Y., Noorbakhsh A., Koopialipoor M., Azizi A., Tahir M.M. A new methodology for optimization and prediction of rate of penetration during drilling operations // Engineering with Computers. 2019. Vol. 3. P. 587–595. DOI: 10.1007/s00366-019-00715-2.Tretyak A.Ya., Kuznetsova A.V., Borisov K.A. Determination of PDC cutter breakdowns using regression and neural network modeling. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2019, vol. 330, no. 5, pp. 169–177. DOI: 10.18799/24131830/2019/5/275.Третьяк А.Я., Кузнецова А.В., Борисов К.А. Определение поломок резцов PDC с помощью регрессионного и нейросетевого моделирования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 5. С. 169–177. DOI: 10.18799/24131830/2019/5/275.