Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и практики конструирования, изготовления и применения алмазного породоразрушающего инструмента 1 8
1.1. Современные представления о разрушении горных пород алмазным инструментом 18
1.2. Анализ исследований по влиянию конструктивных пара-метров алмазного инструмента на эффективность разрушения горных пород 27
1.3. Современное состояние технологии изготовления алмазного породоразрушающего инструмента и пути её совершенствования 43
2. Исследования напряженно- деформированного состояния забоя, алмазного инструмента и керна при бурении 47
2.1. Методика комплексных исследований 47
2.2. Аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния системы забой - алмазная коронка методом конечных элементов 52
2.3. Экспериментальные и теоретические исследования взаи модействия единичного индентора и группы инденторов с горной породой 67
2.4. Влияние формы забоя на эффективность разрушения по- Рд 84
2.5. Исследование условий формирования керна и зоны предразрушения при бурении
2.6. Исследование температурных напряжений в керне при алмазном бурении с продувкой JQ^ 2.7. Моделирование температурного режима работы алмазных коронок и разработка методов повышения их термостойкости 109
2.8. Исследование влияния УЗК на процесс вдавливания индентора в горную породу 120
3. Разработка ряда специального алмазного породоразрушающего нструмента 125
3.1. Разработка математической модели износа алмазной коронки 125
3.2. Выбор основных конструктивных параметров коронок для бурения снарядами со съемными керноприемниками
3.3 Разработка алмазных коронок для бурения с гидротранс портом керна 142
3.4. Разработка алмазных долот для направленного и многозабойного бурения 154
3.5. Разработка алмазных коронок для эжекторных снаря- дов 164
3.6. Разработка специальных алмазных расширителей 170
3.7. Разработка алмазного стабилизирующего породоразру- шающего инструмета
3.8. Исследование и разработка специальных виброактивных алмазных коронок
4. Совершенствование технологии бурения специальным алмазным породоразрушающим инструментом 193
4.1. Анализ особенностей процесса алмазного бурения специальными алмазными коронками
4.2. Лабораторные исследования 203
4.3. Экспериментальные исследования в производственных условиях 206
4.4. Установление критерия оптимальной продолжительности рейса 220
5. Оценка эффективности использования специального алмазного инструмента и направление дальнейших исследований 226
5.1. Эффективность от использования выпускаемого инстру мента 226
5.2. Основные направления дальнейших исследований 234
Основные выводы и рекомендации 257
- Анализ исследований по влиянию конструктивных пара-метров алмазного инструмента на эффективность разрушения горных пород
- Экспериментальные и теоретические исследования взаи модействия единичного индентора и группы инденторов с горной породой
- 2.7. Моделирование температурного режима работы алмазных коронок и разработка методов повышения их термостойкости
- Разработка алмазных долот для направленного и многозабойного бурения
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях переходного периода Российской Федерации от плановой к рыночной экономике её минерально-сырьевые ресурсы приобретают исключительно важное значение. Дальнейшее развитие минерально-сырьевой базы благородных, цветных, редких металлов и других полезных ископаемых определено Федеральной отраслевой программой «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 10 декабря 2001 г. № 860. Важнейшей задачей в решении проблемы оценки ресурсного потенциала территории Российской Федерации на твердые полезные ископаемые является повышение геологической и технико-экономической эффективности буровых работ, что невозможно без современного технико-технологического обеспечения этих работ.
Бурение скважин является основным способом разведки полезных ископаемых. При этом наиболее эффективным в настоящее время и обозримом будущем способом сооружения скважин в твердых породах является алмазное бурение с применением алмазного порододоразрушающего инструмента, предназначенного для бурения с отбором керна прогрессивными техническими средствами в сложных горно-геологических условиях: колонковыми снарядами со съемными керноприемниками (КССК), комплексами для бурения с гидротранспортом керна (КГК), одинарными колонковыми снарядами с применением сжатого воздуха и пен, эжекторными снарядами, а также для бескерново-го и направленного бурения безклиновыми снарядами. Существенное повышение геологической информативности бурения и эффективности технологии сооружения буровых скважин различного назначения в сложных горногеологических условиях зависит от уровня научного обоснования основных конструктивных параметров специального алмазного породоразрушающего инструмента (САПРИ), технологии его изготовления и применения. САПРИ (коронки, долота, расширители и др.) отличается от стандартного алмазного инструмента как конструктивно, так и по технологии изготовления. Вопросы повы-
шения производительности, качества и экономичности бурения путем создания, внедрения и совершенствования САПРИ имеют постоянную актуальность.
В развитие геологоразведочного бурения в РФ и СНГ внесла крупный вклад значительная плеяда известных ученых исследователей и конструкторов: Воздвиженский Б.И., Шамшев Ф.А., Эпштейн Е.Ф., Волков С.А., Козловский Е.А., Сулакшин С.С., Башкатов Д.Н., Остроушко И.А., Калинин А.Г., Ребрик Б.М., Кудряшов Б.Б., Царицын В.В., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Власюк В.И., Соловьев Н.В., Яковлев A.M., Тараканов С.Н., Горшков Л.К., Онищин В.П., Левицкий А.З., Кривошеее В.В., Ошкордин О.В., Морозов Ю.Т., Афанасьев И.С., Осецкий А.И., Спирин В.И., Корнилов Н.И., Курочкин П.Н., Блинов Г.А., Рожков В.П., Чихоткин В.Ф. Рябчиков С.Я., Яковлев А.А., Костин Ю.С. и ряд других.
Большое внимание уделили в своих работах проблемам создания алмазного породоразрушающего инструмента: Арцимович Г.В., Архипов А.С., Гореликов В.Г., Копылов В.Е. Сахаров А.В., Касаточкин А.В., Сладков В.И., Эйге-лес P.M., Субботин Е.К., Суманеев Н.Н., Соловов Ю.Г., Мельничук И.В., Михеев Н.Н., Гренадер М.Е., Глазов М.Г.,Белов A.M., Богданов Р.К., Бурачек Н.А., Рябчиков С.Я., Пономарев П.П., Вовчановский И.Ф., Воропаев И.Е., Иванов О.В., Панин Н.М., Умов А.П., Исаев М.И. и др.
Однако возможности совершенствования алмазного породоразрушающего инструмента, в том числе и специального на научном, конструкторском и технологическом уровне далеко не исчерпаны. Алмазное бурение в сложных горно-геологических условиях сопровождается не достаточно эффективным использованием подводимой к забою энергии, перегревом рабочего торца матриц коронок, аномальным износом породоразрушающеи части инструмента и не всегда приемлемым геологическим качеством работ. В этой связи актуальность поставленных в данной работе задач вполне очевидна.
Работа выполнялась в Федеральном государственном унитарном научно-исследовательском геологическом предприятии «Тульское НИГП».
Исходными материалами диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-производственных исследований, выполненных автором в 1970-2003 г.г. в соответствии с координационными и отраслевыми программами бывших Мингео СССР, Минстанкопрома, Рос-комнедра и Министерства природных ресурсов Российской Федерации, а также планами НИОКР ФГУНИГП «Тульское НИГП» по 25 госбюджетным и хоздоговорным темам. В большинстве перечисленных НИОКР автор выступает в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя.
Цель работы - повышение геологической и технико-экономической эффективности бурения разведочных скважин за счет создания и применения специального алмазного породоразрушающего инструмента, позволяющего интенсифицировать процесс разрушения горных пород на забое при благоприятных условиях для формирования и сохранения целостности керна.
Идея работы - совершенствование процесса алмазного бурения на основе применения нового специального породоразрушающего инструмента. Задачи исследований
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
аналитическое исследование взаимодействия единичного алмаза и группы алмазов с горной породой и разработка конечно-элементного метода анализа напряженно-деформированного состояния системы забой - алмазная коронка;
исследование сопротивления пород вдавливанию ин-дентора от размеров напряженной зоны;
исследование особенностей разрушения углового участка забоя скважин и взаимодействия с породой нескольких инден-торов и определение рациональной схемы их установки в инструменте;
экспериментальные исследования особенностей механизма разрушения пород при действиях на породоразрушающий
элемент одновременно статического усилия и ультразвуковых колебаний;
изучение условий формирования забоя, керна и зоны предразрушения при бурении;
исследование теплопередачи в тепловом канале коронки для определения его геометрических параметров;
исследование влияния отдельных конструктивных, кинематических и динамических факторов на характер износа различных типов алмазного инструмента;
исследование влияния режимов бурения на работоспособность инструментов и геологическое качество работ. Методы исследований
Для решения поставленной проблемы использовался комплексный метод исследований, включающий:
научный анализ и обобщение результатов своих работ, результатов работ других авторов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по алмазному породоразрушающему инструменту, технологии его изготовления и применения и обоснование на этой основе задач исследований по повышению эффективности процесса алмазного бурения в сложных горно-геологических условиях;
аналитические и экспериментальные исследования механизма разрушения горных пород при вдавливании (в том числе и с наложением ультразвуковых колебаний) инструментов;
исследование теплопередачи в алмазной коронке;
экспериментальные исследования на стендах с использованием естественных блоков твердых горных пород с целью оптимизации процесса алмазного бурения скважин;
математико-статистический анализ экспериментальных и производственных данных для определения степени их достовер-
ности и вывод эмпирических формул и поправочных коэффициентов;
технико-экономические исследования эффективности применения специального алмазного инструмента и совершенствование керносберегающей технологии бурения геологоразведочных скважин. Научная новизна проведенных исследований заключается в получении следующих приоритетных результатов:
Установлены закономерности формирования напряжений в элементах породоразрушающей части коронки и в горной породе при их взаимодействии, заключающиеся в том, что после приложения нагрузки наибольших значений касательные напряжения достигают в области сектора коронки, примыкающей к границе внешних воздействий сил, а в горной породе на границе бокового контакта алмаза с матрицей и между алмазными зернами. С увеличением удельной нагрузки напряжения в матрице коронки растут быстрее, чем в алмазных зернах.
Выявлены основные закономерности взаимосвязи сопротивления пород вдавливанию индентора от размеров возникающей при этом в породе напряженной зоны, заключающиеся в возрастании сопротивления пород вдавливанию по мере уменьшения, начиная с некоторого значения диаметра напряженной зоны.
Установлены закономерности изменения твердости породы по штампу по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя, при которых она распределяется в этом направлении в порядке прямолинейного возрастания.
Открыто для упруго-хрупких пород и минералов явление перехода от полностью упругого разрушения к упругопластическому при внедрении сферического индентора, когда радиус кривизны индентора уменьшается обратно пропорционально кубу предела текучести породы до некоторой критической величины.
Выявлены закономерности влияния ультразвуковых колебаний на снижение прочности породы. Установлено, что при наложении ультразвуковых колебаний на инструмент, внедряемый в горную породу, твердость ее существенно снижается, причем в приповерхностном слое породы твердость уменьшается в несколько раз.
Определены закономерности нагрева и охлаждения алмазной коронки, заключающиеся в уменьшении её теплонапряженности в зоне контакта с породой за счет повышения теплопроводности материала матрицы и корпуса, изменения агрегатного состояния теплоносителя, термодеструкции нетермостабильного компонента матрицы и снижения забойной мощности.
Установлены закономерности распределения алмазов в матрице коронки в зависимости от их эквивалентного диаметра, насыщенности ее торца алмазами и твердости пород, заключающиеся в возрастании межзернового расстояния при увеличении эквивалентного диаметра алмазов и повышении требуемой насыщенности с возрастанием твердости буримых пород.
Выявлены закономерности распределения напряжений в керне при его образовании и установлен новый механизм повышения сохранности керна, заключающийся в уменьшении его напряженного состояния за счет снижения: касательных напряжений от крутящего момента на коронке и температурных напряжений, возникающих вследствие генерируемого на забое тепла, а также силы удара струи промывочной жидкости о керн путем уменьшения площади контакта керна со струей.
Установлены закономерности взаимосвязи конструктивных элементов специального алмазного инструмента, параметров технологического режима, механической скорости бурения и удельного расхода алмазов от подводимой к забою мощности.
Практическая ценность работы.
1). Разработан и внедрен в сложных горно-геологических условиях многих рудных и угольных месторождений комплекс новых высокоэффективных технических и технологических решений, включающий:
специальный алмазный породоразрушающий инструмент для бурения снарядами со съемными керноприемниками (КССК-59, КССК-76), гидротранспортом керна (КПС), эжекторными и одинарными снарядами, обеспечивающий высокие механическую и рейсовую скорости, приемлемый уровень геологической информативности керна и значительное снижение удельного расхода алмазов;
породоразрушающая компоновка колонкового снаряда, стабилизирующая направление ствола скважины за счет выполнения формы торца коронки по расчетной кривой равномерного износа, увеличения диаметра и высоты корпуса коронки и расширителя и уменьшения крупности армирующих алмазов;
научно-методические основы определения и выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров специального алмазного породоразрушающего инструмента для бурения разведочных скважин.
2). Разработанные типы специального алмазного породоразрушающего инструмента показали высокую эффективность при бурении в сложных горногеологических условиях большинства месторождений России и стран СНГ. Комплексы алмазного породоразрушающего инструмента для КССК-76 использовались для повышения качества работ в республике Болгария. Всего с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента с 1981 по 2002 год пробурено более 4600 тыс. м разведочных скважин.
3). Патентная новизна ряда технических решений подтверждается 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и свидетельствами на полезные модели.
4). Опубликованные материалы включены в три монографии, пять учебников, три справочника и инструкции различных авторов для использования в учебной и научно-производственной деятельности.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и технико-технологических решений автора диссертации доказана большим фактическим материалом и сходимостью полученных теоретических решений с экспериментальными данными. Новизна технических и технологических разработок подтверждена 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и полезные модели. При обработке материалов использовались современные методы с использованием ЭВМ. Приемочные испытания разработанного специального алмазного породоразрушающего инструмента проводились в передовых производственных организациях под контролем государственных комиссий.
Высокая технико-экономическая эффективность от реализации комплексов специального алмазного породоразрушающего инструмента подтверждена практикой их применения на крупнейших месторождениях руд и угля России и стран СНГ.
Личный вклад автора в разработку проблемы
Все основные положения, результаты и выводы получены автором лично. Ему принадлежит постановка проблемы и задач исследований, разработка методик исследований, анализ и обобщение результатов работ. Он принимал личное участие во внедрении прогрессивной технологии бурения с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента. Он автор и соавтор 112 опубликованных работ, в том числе 54 изобретений и полезных моделей. При решении отдельных задач принимали участие коллеги автора и многие специалисты производственных организаций. По этим работам имеются совместные публикации и ссылки на них в диссертации.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований представлялись в виде сообщений и докладов на Всесоюзных и Всероссийских отраслевых совещани-
ях, семинарах и конференциях, проводимых по планам Мингео СССР, Мингео РСФСР, МПР РФ (1970-2000 гг.). Результаты НИОКР по тематике исследований рассматривались на научных конференциях и семинарах в ТФ ЦНИГРИ, ЦНИГРИ, Тульском НИГП, Ленинградском горном институте, ИСМ АН УССР, ВНИИСИМСе, ИФВД АН РФ, а также обсуждались на научно-технических совещаниях ряда геологоразведочных организаций. Отдельные положения работы докладывались на IV Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1998 г.), на IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 1999 г.), конференции профессорско-преподавательского состава (Москва, апрель 2000 г.), научной конференции ФТРиР, посвященной 50-летию со дня образования кафедр горного дела и разведочного бурения МГГРУ (Москва, октябрь 2001 г.), 5-ой международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент» (г. Киев, сентябрь 2002 г.). Комплексы специального алмазного по-родоразрушающего инструмента демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены 4-х серебряных и 15-ти бронзовых медалей. Публикации
Результаты исследований по теме освещены в 108 опубликованных работах, в том числе в 53 авторских свидетельствах и патентах на изобретения и полезные модели.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Во введении обосновывается актуальность поставленной темы диссертационной работы, изложены основные защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В главе 1 дается анализ современного состояния теории и практики конструирования, изготовления и применения алмазного бурового и специального инструмента и вытекающие из неё перспективы повышения на этой основе эффективности бурения в сложных горно-геологических условиях.
В главе 2 изложены результаты исследований механизма разрушения горных пород и формирования керна при бурении алмазным инструментом. Также приведены анализ температурного режима алмазных коронок и методы повышения их теплостойкости.
Анализ исследований по влиянию конструктивных пара-метров алмазного инструмента на эффективность разрушения горных пород
К основным конструктивным параметрам породоразрушающего инструмента относят: геометрию породоразрушающеи части, качество алмазов, которыми армирован инструмент, их зернистость, насыщенность алмазами матрицы, схемы расположения алмазов на рабочей части, геометрию промывочной системы, твердость матрицы и др. И.А. Остроушко [144] считает, что для эффективного бурения алмазы в буровой коронке необходимо расставлять таким образом, чтобы при заданной деформации сечение пространства, в котором будет происходить разрушение, полностью перекрывалось. Наименьшее количество алмазов, которое должно быть вставлено в коронку для получения заданной деформации, может быть определено на основании расчетов по перекрытию сечения. И.А. Остроушко [144] считает, что размеры зоны разрушения при вдавливании в породу алмаза шарообразной формы (рис. 1.2) можно найти по формулам (1.11) D = h = -ga0; 2h d tgaQ tg Po g Po где h - глубина разрушения; D - ширина разрушения; d- диаметр проекции поверхности соприкосновения алмаза с породой; а0, р0 - угол направления первичных трещин и скалывания соответственно. Диаметр проекции поверхности контакта d может быть определен с достаточной точностью, как для случая упругого касания по формуле Г. Герца. Сопротивление движению алмаза равно Pv=Pyp fo (1.12) где /с - коэффициент сопротивления движению.
Усилие Рур, вызывающее разрушение породы при движении инструмента, снижается на 20-50% по сравнению с требуемым при отсутствии его, что объясняется концентрацией напряжения в породе впереди работающего инструмента. При разрушении раздавливанием поперечное сечение зоны раздавливания равно е =_$1 = аУсу (U3) tg Po 4-fgPo При глубине разрушения h сечение слоя породы, снимаемого с кольцевого забоя за один оборот инструмента, равно S3=b.n = b- tga0. (1.14) Минимальное количество алмазов в коронке определяется из выражения: S3 2bg(p0 к = = - b . (1.15) Р Sp dga0 При разрушении смятием сечение зоны равно: h2 d2 Sc=-?— = Z-.tga0, (1.16) tgoc0 4 и минимальное количество алмазов в коронке = L = —. (1.17) с Sc d т Слой породы толщиной h за один оборот коронки будет сниматься к к = — раз при раздавливании и тс = — раз при смятии. кп к„ Скорость бурения в первом случае будет равна u = mp-h-n-Al (1.18) и во втором случае u = mc-h-n-Xl, (1.19) где Aj - коэффициент, учитывающий снижение скорости бурения из-за повторных зажимов и измельчения породы. Принимается при бурении раздавливанием в пределах 0,5-0,6, а при бурении смятием 0,2-0,4. Необходимо отметить следующие недостатки исследований, выполненных И.А. Остроушко: - по его теории главный объем давления, образующийся при вдавливании алмазного зерна в породу, имеет коническую форму, в тоже время более поздними исследованиями установлено, что главный объем давления представляет полусферу [198]; - величина угла скалывания р0 и угла направления первичных трещин а0 зависит от многих природных и технических факторов, поэтому из-за незнания величин этих углов расчеты могут быть только приближенными. Б.И. Воздвиженский и С.А. Волков предлагают [85, 86] в однослойных коронках алмазы распределять на рабочем торце коронки таким образом, чтобы вставленные в матрицу алмазные зерна обеспечивали равностойкость рабочего торца коронки и хорошую их взаимную защиту от разрушения (рис. 1.3). А многослойные коронки они рекомендуют армировать более мелкими алмазами зернистостью от 80 до 180 штук на 1 карат. В многослойных коронках мелкие зерна алмазов должны быть равномерно перемешаны с цементирующим сплавом по всей высоте рабочего кольца. При этом концентрация мелких алмазов составляет от 1,25 до 1,5 карата на 1 мм высоты рабочего кольца для коронок диаметром 46 и 59 мм. Для наиболее крепких пород рекомендуется применять алмазы с зернистостью 150-180 штук на 1 карат. По нашему мнению недостатками рассмотренных результатов исследований, выполненных Б.И. Воздвиженским и С.А. Волковым, являются: - количество зерен алмазов, перекрывающих ширину забоя, авторы опре деляют в зависимости от диаметра коронки и величины алмазных зерен и не учитывают при этом физико-механические свойства горных пород и характер их разрушения, что затрудняет использование рекомендаций в практике конструирования породоразрушающего инструмента; - глубина и ширина равнопроходного сечения промывочных канавок по рабочему торцу не увязаны с глубиной и шириной канавок на боковых поверхностях матрицы коронки, что не обеспечивает соблюдение условия мгновенного выноса шлама с забоя. По Я.А. Романцеву [52] основное условие работы коронки определяется выражением (1.20) Р а S = Si+S +... + S = где S - суммарная площадь контакта алмаза с горной породой; dt - сечение зерен алмазов; о - твердость горной породы; Р - осевая нагрузка на коронку. Число всех зерен (резцов) равно N=S s где Scp - среднее значение площади сечения одного зерна. Величина S может быть определена из выражения S = m0——, где т0 - суммарная толщина алмазов в средней зоне рабочей поверхности короночного кольца; Dud- внешний и внутренний диаметр коронки. Автор рассматривает два варианта размещения алмазов на рабочем торце коронки.
Экспериментальные и теоретические исследования взаи модействия единичного индентора и группы инденторов с горной породой
С целью получения наилучших технико-экономических показателей к алмазному породоразрушающему инструменту должна быть подведена соот ветствующая мощность, которую необходимо полностью реализовать для его эффективной работы. Из этого следует, что специальный алмазный породоразрушающий инструмент должен обеспечивать повышение коэффициента полезного действия подводимой к забою энергии. Эксплуатируемый в настоящее время алмазный инструмент в зависимости от свойств породы и приложенных нагрузок осуществляет разрушение истиранием, раздавливанием, царапаньем или резанием. Общая черта названных процессов — обязательное проникновение инструмента в массив. Все это предопределило главенствующее положение исследований процесса вдавливания » при изучении механизма разрушения горных пород алмазным зерном и алмазным инструментом в целом. В связи с наличием определенных расхождений в представлениях ученых о процессе разрушения горных пород алмазным зерном автором проведены [27, 52, 179] экспериментальные исследования механизма разрушения вдавливанием единичного индентора в образцы горной породы на приборе УМГП-ЗМ и прессе ПГ-10. Для работы с единичным алмазным резцом использовался токарный станок с укрепленным на его суппорте трехкомпонентным упруго электри- ческим динамометром типа УДМ-600, позволяющим измерять три составляющие силы резания: нормальную, тангенциальную и силу прижатия. В результате выполненных нами [27, 52] исследований установлено следующее. 1. При соответствующем внедрении цилиндрического штампа под ним формируется ядро сжатия породы. Под действием распределенного усилия от ядра сжатия зарождаются и распространяются вглубь массива радиальные и основные трещины: первые почти перпендикулярно поверхности вглубь массива породы, вторые в глубине породы и при выходе на поверхность образуют воронки выкола. При внедрении алмаза процесс разрушения породы подобен описанному при вертикальном внедрении цилиндрического индентора, однако объем воронки выкола значительно меньше, чем при внедрении индентора. 2. В зависимости от глубины внедрения алмаза в породу h, его диаметра d и соотношения hjd имеет место упругое пластическое оттеснение и резание породы. При резании породы у вершины алмаза возникают трещины, которые распространяются в условиях весьма существенных пластических деформаций на глубину большую h, образуя зону разрушения и предразрушения.
С целью определения разрушающей нагрузки на алмазное зерно и условий перехода от внешнего трения к микрорезанию нами рассмотрено взаимодействие единичного алмазного зерна с хрупкой горной породой в рамках теории упругости. Известно, что схема разрушения горных пород включает три стадии: упругую деформацию, остаточную деформацию и отделение частиц породы от массива. При упругой деформации формируется ядро разрушения и консоль отрыва массива, то есть реализуются основные затраты энергии. Поэтому процесс реализации энергии в работу алмазного резца можно рассматривать на стадии упругой деформации. В теории упругости анализ напряженного состояния при вдавливании штампа со сферическим основанием основывается на решении задачи Г.Р. Герца о сжатии двух соприкасающихся тел по криволинейной поверхности [27].
Единичный алмаз (рис. 2.12) при вдавливании в горную породу производит ее упругую деформацию без разрушения, которая описывается зависимостью Г.Р. Герца [52]: В контакте горной породы с алмазом возникает напряжение, а упругая деформация будет продолжаться до тех пор, пока напряжение сжатия х не достигнет предела прочности породы сгвр, то есть r rv- (2.26) Разрушение горной породы под действием внедренного алмаза происходит при соблюдении условия 4-F V= —у- (2.27) 7r-d0 После подстановки в равенство (2.4) значения из формулы (2.2) и решения полученного равенства относительно FHi получим значение минимально допустимой нагрузки F» = "J (2.28) 64 Расчеты минимально необходимых нагрузок на один алмаз проведены по формуле (2.28) для различных горных пород: кварцита, гранита и известняка, хорошо согласуются с данными ВИТРа [18,19] по определению нагрузки на алмазное зерно. С учетом изложенного и схемы, представленной на рис. 2.12, можно записать условие разрушения породы алмазом: F = n\d h-h2)kc, (2.29) где F - разрушающая нагрузка на алмаз; d - диаметр алмаза; h - глубина внедрения алмаза; кс - коэффициент сопротивления движению алмазного резца [144]. Решив уравнение (2.29) относительно h, получим (2.30) Внедрение алмаза имеет минимальное значение, равное "0" при значении F = 0, и достигает максимального значения при некоторой постоянной нагрузке. Зависимость (2.30) позволяет рассчитать момент перехода от внешнего трения к микрорезанию. Из (2.30) можно заметить, что глубина внедрения, соответствующая переходу к микрорезанию, пропорциональна диаметру алмазного зерна и разрушающей нагрузке. Необходимо заметить, что в первом приближении значения предела прочности схвр в формуле (2.28) можно заменить значением предела текучести породы по штампу Р0. Тогда выражение (2.28) примет вид F = f- l(el+e2f-R2. (2.31) где Р0 - условный предел текучести породы, Мпа. Анализируя выражение (2.31) можно заметить, что при Р0 = const для алмазных зерен с различными значениями радиусов Rlf R2 справедливо выражение F, .gQ-Pl(ex+e2f.Rt R F2 n -a -Pl\ex+e2)2-Rl RY то есть нагрузки, требуемые для достижения предельного состояния, пропорциональны радиусам вдавливаемых поверхностей. Известно, что масштабный фактор заметно влияет на величины прочности и объемной работы разрушения пород. Поэтому автором были проведены экспериментальные исследования влияния масштабного фактора на сопротивление разрушению при определении предела текучести при вдавливании в стекло и породу цилиндрических штампов с конусом при вершине с минимально возможным по условиям прочности штампа диаметром круга контакта 0,3-2,0 мм.
2.7. Моделирование температурного режима работы алмазных коронок и разработка методов повышения их термостойкости
Температурные условия работы алмазного породоразрушающего инструмента считаются нормальными, если температура нагрева алмазных зерен не достигает величин, при которых возможны их температурные деформации: окисление, графитизация, зашлифование режущих граней, сколы и растрескивания зерен. При бурении пород высоких категорий по буримости (Х-ХП категорий) при значительных контактных температурах температурные деформации занимают доминирующее положение. В целом в алмазном бурении объем, где в той или иной степени проявляется действие температурного фактора, составляет около 40-50 % [52].
Особо важное значение приобретает решение этого вопроса при применении специального алмазного инструмента для прогрессивных видов алмазного бурения: КССК с высокими частотами вращения снаряда, снарядов КГК для бурения с гидротранспортом керна, при бурении с применением пен и сжатого воздуха в качестве очистных агентов. В процессе применения этих видов алмазного бурения необходимо учитывать и предупреждать действие температурного фактора при выполнении более 50 % объема работ. Задачи исследований, в том числе моделирования, следующие. 1. Изучение теплового процесса при работе алмазного породоразрушающего инструмента на забое скважины. 2. Исследование теплопроводности материалов матрицы и корпуса коронки. 3. Разработка методов повышения термостойкости алмазного инструмента при бурении. Исследование температур нагрева алмазной коронки при бурении Для определения рациональных условий разрушения горных пород необходимо знать значения температур, возникающих в алмазных зернах и в матрице алмазных коронок. Нами проведены теоретические исследования температур нагрева алмазной коронки при бурении, где был использован метод источников теплоты, разработанный академиком Н.Н. Рыкалиным и профессором А.Н. Резниковым (Резников А.Н. Теплофизика резания. М., Машиностроение, 1969, с. 288), и получена формула для определения максимальной контактной температуры алмаза при установившемся тепловом режиме [27] k-W -к t = (l-B). kW к- , (279) а 1440 d ks = 4,81 (ти -ща) + lg—, где В - коэффициент, учитывающий снижение контактной температуры от влияния охлаждающей среды, определяется по методике А.Н. Резникова; d - диаметр площади контакта алмаза с породой, м; а - угол приострения алмазного резца, град; Яа, - коэффициент теплопроводности алмаза, Вт/(м- С); к - коэффициент нагрева коронки к = 0,87-0,93 [103]; ха - линейный износ алмаза по задней грани, м; W— забойная мощность, Вт; z - количество объемных алмазных резцов, шт; в, т, щ - коэффициенты, определяются по методике А.Н. Резникова.
Расчеты по формуле (2.79) хорошо совпадают с данными измерений температур нагрева алмазных коронок, проведенных в ВИТРе, что свидетельствует об учете формулой (2.79) основных факторов, определяющих температурный режим коронки при бурении. Для определения влияния параметров режима бурения и различных очистных агентов на температуру нагрева коронок нами были проведены эксперименты и расчеты по формуле (2.79). Замеры температур нагрева коронок производились по методике [52]. Экспериментальное бурение производилось по блокам гранодиорита и окварцованного песчаника алмазной коронкой 02И376 с промывкой и продувкой при следующих расходах очистных агентов: промывочной жидкости - 20 л/мин, сжатого воздуха - 4 м3/мин при давлении 5 ат (табл. 2.10). Анализ данных, приведенных в табл. 2.10, показывает, что при одних и тех же значениях режимных параметров температура нагрева торца матрицы коронки при бурении по гранодиориту с продувкой в 8,1 раза выше, чем при бурении с промывкой, и близка к уровню её критического значения, равного 600С [99]. С увеличением осевой нагрузки и забойной мощности при бурении по гранодиориту температура нагрева торца матрицы коронки возрастает, причем при бурении с продувкой более высокими темпами, чем при бурении с промывкой.
Сравнение значений расчетных температур нагрева алмазов при бурении по гранодиориту с экспериментальными данными показывает, что расчеты по формуле (2.79) дают завышенные значения температур по сравнению с экспериментальными данными: на 20% при бурении с промывкой и на 11% при бурении с продувкой. Эти расхождения следует считать нормальными для такого класса измерений. При этом необходимо учесть, что замеры температуры непосредственно на контакте алмазного зерна с горной породой представляют в настоящее время практически непреодолимые технические трудности. При бурении по блоку окварцованного песчаника с продувкой при одних и тех же значениях расчетных параметров значение температуры нагрева матрицы на 21% ниже аналогичного показателя при бурении по гранодиориту. Это свидетельствует о том, что при бурении при высоких контактных температурах, когда резко (более, чем в 7 раз) снижается теплопроводность алмаза [103], значительная часть тепла трения поглощается зернами кварца, содержащимися в песчанике. Поэтому алмазное бурение в кварцсодержащих породах может осуществляться при повышенных значениях забойной мощности, а конструктивные изменения при совершенствовании алмазных коронок для бурения в таких породах должны быть направлены на уменьшение соотношения площади поперечного сечения рабочих секторов к площади соответствующего сечения матрицы коронки, что повысит эффективность бурения за счет создания оптимальных нагрузок на алмазные зерна. Для совершенствования технологии алмазного бурения и породоразру-шающего инструмента важно знать и распределение температур по высоте матрицы коронки. Нами произведены исследования по замеру с помощью термопар и термодатчика температур алмазных коронок при бурении по блоку гранита в лабораторных условиях по методике, описанной в работе [27]. В результате проведенных исследований установлен характер распределения температур по высоте матрицы алмазной коронки и получены зависимости температуры торца от осевой нагрузки и частоты вращения снаряда. Максимальная температура даже при обычном режиме бурения с продувкой (осевая нагрузка 900 даН, частота вращения 237 мин", расход сжатого воздуха 4 м / ин) на расстоянии 0,4 мм от рабочего торца серийной импрегнированной алмазной коронки 02И4 диаметром 76 мм составила 510С. Распределение температур по высоте матрицы коронки выражается экспоненциальной функцией вид [50] і = іт-е ЩІ4, (2.80) где тх - опытный коэффициент, характеризующий тепловое поле коронки (по опытным данным т1 = 0,12 ); hv - расстояние по высоте матрицы, мм. В процессе бурения алмазной коронкой при постоянной осевой нагрузке установлено, что при увеличении частоты вращения наблюдается повышение температуры торца коронки, которое можно выразить экспериментальной зависимостью [50] К=тг-п\ (2.81) + где m , а -опытные коэффициенты (т = 7,5; а = 0,72). Анализ формул (2.79), (2.80) и (2.81) позволяет сформулировать ряд заключений. Основное влияние на уровень контактной температуры алмазов оказывает, в первую очередь, величина забойной мощности. Поэтому при алмазном бурении необходимо соблюдать рациональную технологию, то есть поддерживать режимные параметры на таком уровне, при котором забойная мощность не превышала бы предельно допустимых значений.
В коронках, предназначаемых для использования в условиях возникающих высоких контактных температур на уровне предельно допустимых для бу-ровых алмазов, конструктивные изменения должны направляться на повышение теплопроводности материалов матрицы и корпуса, на увеличение тепло-проводящей поверхности, на увеличение соотношения между площадями контактов алмазов с забоем и поперечного сечения матрицы и создание условий для усиления конвективного теплообмена коронки с очистным агентом на основе совершенствования геометрии породоразрушающей части алмазного инструмента.
Разработка алмазных долот для направленного и многозабойного бурения
\ Применение алмазных долот при направленном и многозабойном бурении с отклонителями непрерывного действия обусловливает, в отличие от обычного бурения, специфичные требования к их конструкции. Это вызывается ограниченными прочностными возможностями отклонителей, которые не позволяют производить бурение на повышенных значениях частот вращения и осевых нагрузок. Основное требование к долотам при проведении циклов искусственного искривления — это возможность набора требуемой интенсивности искривления скважины в заданном интервале с приемлемой механической скоростью при условии, чтобы нагрузки, обусловленные технологическими параметрами режима бурения долотами, не превышали технических (прочностных) возможностей отклонителей. Основные конструктивные параметры долот, определяющие показатели бурения при выполнении циклов искусственного искривления с отклонителями, следующие: форма рабочего торца, величина площади рабочего торца, насыщенность алмазами рабочей поверхности и состав алмазосодержащей матрицы. Форма рабочего торца долота В процессе исследований разработано и изготовлено несколько макетов долот диаметром 76 мм типа ДН (долота направленного бурения) с различной формой торца. С целью определения влияния угла конусности рабочего торца на механическую скорость бурения проведены сравнительные стендовые испы- тания этих долот. Предварительно установлено, что рациональный угол конусности торца долота составляет 150-160. Он хорошо согласуется с углом естественного износа долот, равному 78-80 (половина угла конусности). Соотношение между боковой и торцовой рабочими площадями долота
Чтобы получить определенную механическую скорость, близкую к скорости бурения без отклонителя при заданных ограничениях по технологическим параметрам бурения, площадь рабочего торца долота должна отвечать требованиям обеспечения рациональных удельных контактных нагрузок. При этом должна обеспечиваться определенная интенсивность искривления за счет фрезерования стенки скважины. Кроме этого торцовая и боковая рабочие поверхности долота должны быть равноизносостойкими. При бурении с отклонителем фрезерование стенки скважины осуществляется боковой поверхностью долота, площадь которой должна быть такой величины, чтобы при определенных контактных нагрузках, создаваемых отклонителем, можно получить достаточное и необходимое боковое отклонение, т.е. площадь боковой поверхности долота должна быть пропорциональна площади торцовой поверхности S6 = KST, (3.54) где 5б , ST- площадь рабочей поверхности долота, м ; К - коэффициент пропорциональности. Коэффициент пропорциональности определяется из условия, что при прочих равных условиях рабочие площади боковой и торцовой поверхностей долота должны быть равноизносостойки и пропорциональны соответствующим нагрузкам.-Ч (3-55) "в "ОТ где Рт, Рот - нагрузка торцовая и отклоняющая, соответственно даН. Откуда S6 = -ST, (3.56) "т следовательно Исходя из технической характеристики отклонителей (табл. 3.7) и используя формулу (3.57 можно определить значение коэффициента пропорциональности /С, который наиболее полно соответствует соотношению нагрузок для каждого из представленных отклонителей (табл. 3.8). Из данных табл. 3.19 видно, что наименьшее из верхних значений коэффициентов соответствует значению 0,20 для отклонителя ТЗ-3-73, а наибольшее 0,35 для отклонителя ОНБ-ИМР 73 мм. Среднее верхнее значение коэффициента К составляет 0,25, и его среднее нижнее значение 0,58. Общее среднее значение коэффициента составляет 0,4. Следовательно, соотношение между «S6» и «5Т» равное 0,4, будет наиболее полно удовлетворять условию равной износостойкости указанных поверхностей алмазных долот при бурении с усредненными нагрузками для отклонителей направленного действия, наиболее распространенных в практике направленного бурения. Конструкция калибрующей части долота
Калибрующая часть алмазных долот при искусственном искривлении скважин, помимо общей функции породоразрушающего инструмента - сохранять диаметр скважины - выполняет работу по фрезеровке стенки скважины под воздействием отклоняющего усилия, которое создает в скважине перекос отклонителя и долота. Поэтому калибрующая часть должна выполняться таким образом, чтобы последний ряд подрезных алмазов находился на кромке цилиндрической части матрицы. При этом обязательным условием является то, что долото должно иметь угол бокового фрезерования «А,», проведенной через наружную калибрующую часть и прямой, соединяющей край калибрующей части и корпус долота (рис. 3.11).
