3.2 Механизм разрушения породы в забое скважины при алмазном бурении

При алмазном бурении разрушение породы забоя скважины происходит в основном за счет деформаций раздавливания путем отделения определенных объемов скалывания породы; в меньшей степени оно происходит истиранием.

Для образования деформаций раздавливания необходимо создать в местах соприкосновения алмазных зерен с породой такое давление, которое вызвало бы в ней образование напряжений, превышающих по своей величине предел прочности породы на раздавливание.

Когда величина этого давления недостаточна, внедрение алмазов в породу будет незначительным, коронка будет скользить по породе, на забое создадутся лишь деформации смятия, разрушение породы будет происходить в основном истиранием и производительность бурения окажется низкой.

При слишком большом давлении производительность бурения будет также низкой. Высококачественные алмазы способны выдержать чрезвычайно большую нагрузку на раздавливание, если они правильно и прочно закреплены в матрице коронки.

Под действием повышенной нагрузки внедрение алмазов в породу будет происходить на большую глубину, и поэтому они должны будут скалывать объем породы больший, чем допускает конструкция коронки. Это вызовет сильные ударные нагрузки которые, во-первых, могут привести к разрушению алмазов и, во-вторых, будут способствовать скалыванию более крупных частиц, а следовательно, и большего объема породы. Размер и число промывочных канавок в коронке окажутся недостаточными для эффективного удаления и шлама с забоя скважины, что приведет к нерациональным затратам энергии и расхода алмазов на переизмельчение породы, к зашламовыванию коронки, к оголению и повышенным потерям алмазов и в конечном счете к значительному снижению скорости бурения. Вот почему перегрузки на алмазные коронки вредны и их нельзя допускать.

По данным зарубежной практики, максимально допустимой нагрузкой на мелкоалмазные коронки является 80-100 кг на карат или 140-170 кг на 1 см² рабочего торца коронки (в зависимости от условий бурения). При бурении разведочных скважин отечественными мелкоалмазными коронками рекомендуется 40-90 кг на карат рабочего торца.

В процессе алмазного бурения в результате неровности поверхности забоя скважины неизбежно возникают динамические удары, которые создают дополнительную нагрузку на забой. Эти нагрузки (до определенной величины) при соблюдении оптимальных режимов бурения не вызовут опасного разрушения алмазов. В то же время, складываясь со статической нагрузкой, динамические нагрузки способствуют более интенсивному образованию напряжений в породе, более глубокому распространению их вглубь, следовательно, и более интенсивному разрушению породы забоя скважины (более интенсивному раздавливанию породы и отделению больших объемов скалывания).

Прочность пород на вдавливание при ударном приложении внешних сил (динамическая твердость) гораздо меньше прочности на вдавливание при статическом приложении внешних сил (статическая твердость). Динамическая твердость примерно в 8-9 раз меньше статической. Поэтому образование напряжений в породе и разрушение ее при одновременном приложении статической и динамической нагрузок будет интенсивней, чем при приложении только статической нагрузки.

Величина динамических нагрузок находится в прямой зависимости от числа оборотов бурового инструмента. Поэтому при алмазном бурении взрывных скважин для большей интенсификации процесса бурения следует идти по пули увеличения (в определенных пределах) числа оборотов, в меньшей степени осевой нагрузки.

Число оборотов буровою инструмента определяет интервал времени между последующими разрушениями породы алмазами. Естественно, что при увеличении числа оборотов этот интервал уменьшается, центробежные силы растут, частицы породы быстрей удаляются из-под торца коронки и порода будет интенсивней разрушаться. Как видим, и с этой точки зрения целесообразно идти по пути увеличения (в определенных пределах) числа оборотов бурового инструмента. Число оборотов бурового инструмента определяются физико-механическими свойствами буримых пород, качеством алмазов, величиной выступающей их части из матрицы, конструкцией коронки, размером и числом промывочных канавок, количеством промывочной жидкости.

Зарубежная практика показывает, что наиболее распространены числа оборотов 1500-2500 в минуту (при бурении крепких и весьма крепких пород) и 3000-3500 об/мин (при бурении пород крепостью до 12-14 по шкале Протодьяконова).

В тесной взаимосвязи с осевой нагрузкой и числами оборотов бурового инструмента находятся конструкция коронки, ее тип, форма и качество алмазов. Совершенно очевидно, что низкого качества алмазы не позволят применить высокие осевые нагрузки числа оборотов (форсированные режимы бурения), так как они быстро разрушатся. При армировании коронок алмазами последние, как правило, поворачиваются плоскими гранями к поверхности забоя скважины. Алмазы, расположенные таким образом, быстро зашлифовываются, производительность бурения ими резко падает.

Ориентированная в направлении вектора твердости вставка алмазов в коронки, широко применяемая в зарубежной практике, позволяет резко увеличить число алмазов, располагаемых в коронке твердыми гранями к поверхности забоя скважины, и повысить интенсивность разрушения породы. Этот процесс в нашей стране пока еще не освоен.

При армировании округлыми алмазами они будут располагаться одинаково по отношению к забою скважины и поэтому обеспечат более равномерное разрушение породы.

Бескерновые алмазные коронки позволяют применять более высокие числа оборотов бурового инструмента, исключают спускоподъемные операции, связанные с извлечением керна, быстрее в большем объеме разрушают породу забоя скважины. Поэтому такие коронки обеспечивают более высокую производительность бурения.

Бескерновые коронки по сравнению с керновыми обладают большей стойкостью. Это объясняется тем, что на рабочем торце таких коронок располагается больше алмазов и поэтому они менее чувствительны к динамическим нагрузкам. При потере нескольких алмазов бескерновые коронки в меньшей степени теряют свою работоспособность, они более стойки. Все это способствует повышению технико-экономических показателей при бурении бескерновыми коронками.

Отделившиеся в процессе бурения частицы породы должны быстро удаляться с забоя скважины, в противном случае они будут переизмельчаться с непроизводительной затратой энергии. Это приведет к падению скорости бурения, к увеличению износа алмазов и матриц коронок, а следовательно, и к повышению стоимости бурения. Излишнее количество шлама на забое скважины способствует закупориванию промывочных канавок, что ведет к нарушению циркуляции воды, нагреву коронки и в конечном счете - прижиганию ее или даже графитизации алмазов.

Чтобы этого не произошло, необходимо обеспечить правильный режим промывки скважины в процессе бурения.

При одинаковом насыщении алмазами 1 см² рабочего торца коронки и постоянном осевом давлении на забой с увеличением диаметра коронки удельное давление на рабочую поверхность алмазов падает. Это вызовет снижение напряжений в местах coприкосновения алмазов с поверхностью породы и, следовательно, интенсивности разрушения забоя скважины. Но увеличение диаметра приводит к увеличению центробежных сил, что способствует лучшему удалению шлама из-под торца коронки. Это в свою очередь обусловливает некоторое повышение производительности бурения.

Интенсивность разрушение породы при прочих равных условиях зависит от их физико-механических свойств, особенно крепости, абразивности, трещиноватости.

Каждой породе соответствует свой предел прочности. Чем крепче горная порода, тем большими должны быть разрушающие ее напряжения.

В абразивных породах сильно изнашивается матрица и растет расход алмазов. Это приводит к заметному снижению стойкости киронки и интенсивности разрушения породы.

При бурении трещиноватых пород керновыми коронками весьма высокие числа оборотов опасны, так как нарушенный керн подклинивает коронку и как следствие этого снижается производительность бурения.

Изложенное выше о механизме разрушения породы забоя скважины при алмазном бурении, анализ практики работы отечественных к зарубежных предприятий позволяют выделить факторы технологии бурения, оказывающие существенное влияние на производительность и стоимость алмазного бурения 1 м и скважины. К ним относятся: осевая нагрузка на забой; число оборотов бурового инструмента; тин, конструкция и стойкость алмазной коронки; режим про­мывки скважины в процессе бурения; диаметр алмазной коронки и глубина скважины; физико-механические свойства буримых пород.

Стойкость' коронки зависит от качества, крупности и общего весового содержания алмазов в коронке, от насыщенности ими рабочего слоя и от материала матрицы. Чем лучше качество алмазов, тем больше стойкость коронки. Увеличение крупности алмазов с 8 до 40 и более штук на карат способствует повышению стойкости коронки, снижению потерь алмазов и стоимости бурения 1 м скважины.

С уменьшением числа алмазов, содержащихся в коронке, стойкость ее снижается. В первую очередь изнашивается периферийная часть торца коронки, на котором появляются канавки и уступы. Для предотвращения указанного явления необходимо армировать периферийную часть большим числом алмазов.

Коронки с ориентированой вставкой алмазов, как показывает зарубежная практика, обладают более чем вдвое большей стойкостью обеспечивают в 2 раза большую производительность бурения и во столько же раз меньший расход алмазов на 1 м скважины.

В коронках отечественного производства с увеличением диаметра снижается весовое количество алмазов, приходящееся на 1 см² рабочего слоя коронки. Это приводит к уменьшению стойкости коронки. При одинаковом удельном насыщении рабочего торца коронки стойкость ее практически не зависит от диаметра.

На стойкость коронки влияет также и форма алмазов. Исследованиями установлено, что искусственная полировка и округление алмазов повышают стойкость коронки на 84%, производительность бурения - на 50% и вдвое сокращают расход алмазов.

Сравнительным анализом установлено (рис. 3.4), что алмазное бурение оказывается производительнее в наиболее крепких породах при диаметре скважин до 75 мм, а по стоимостным показателям оно оказывается более экономичным в породах с f=18—20 при бурении глубоких скважин диаметром до 60 мм.

^Рис. 3.4- Зависимость производительности станка алмазного и пневмоударного бурения от диаметра скважин

Преимущества алмазного бурения: постоянство скорости бурения независимо от глубины, компактность оборудования, хорошие санитарно-гигиенические условия работ, правильность и постоянство сечения скважины. Развитие этого способа бурения намечено в следующих направлениях:

- разработка более износостойких коронок керновых и бескерновых с ориентированной вставкой алмазов;

- разработка импрегнированных коронок, в которых мелкие алмазы равномерно перемешаны с материалом матрицы;

- разработка станков с регулируемыми режимами бурения;

- использование для изготовления коронок искусственных алмазов и других сверхпрочных материалов.

Контрольные вопросы

1. К какому способу бурения относится алмазное бурение и в чем его преимущества.

2. Объясните механизм разрушения породы и назовите недостатки алмазного бурения.

3. Перечислите основные факторы, влияющие на показатели бурения.

4. Назовите область применения алмазного способа бурения.

Работа № 4

Механизм и основные закономерности разрушения породы при шарошечном бурении

Цель работы: Изучение механизма и закономерностей разрушения породы при шарошечном способе бурения и его отличительных особенностей.

4.1 Шарошечное бурение скважин

Бурение скважин шарошечными долотами - один из самых распространенных способов бурения на карьерах для проходки взрывных скважин диаметром 160-320 мм. При подземной разработке руд шарошечное бурение применяется значительно меньше, в основном для бурения скважин диаметром 145-190 мм.

Станки для подземного бурения скважин шарошечными долотами в крепки, и весьма крепких породах должны удовлетворять требованиям:

1 - иметь небольшие размеры, быть удобными при транспортировании по выработкам;

2 - создавать необходимые осевые нагрузки на забой и обеспечивать различные числа оборотов шпинделя;

3 - позволять бурить скважины любого направления с одной установки:

4 - иметь легкое управление, безопасное обслуживание и небольшой вес (желательно применение легкосплавных материалов);

5 - иметь увеличенный ход шпинделя.

Рис. 4.1 Общий вид шарошечного станка РША-50А

Породоразрушающий инструмент - шарошечное долото (рис. 4.2, 4.3) состоит из трех, четырех сваренных между собой лап, на консольных осях которых на роликовых и шариковых опорах вращаются шарошки. Шарошка представляет собой конус, на поверхности которого расположено несколько рядов (венцов) зубьев. Шарошечное долото вращается вокруг оси, при этом шарошки перекатываются по забою скважины, а зубья шарошек входят в контакт с породой и разрушают ее.

Рис. 4.2 Шарошечное долото: 1 - лапа; 2 - шарошка; 3 - роликовые подшипники; 4 - замковый шариковый подшипник; 5 - штыри твердого сплава в обратном конусе; 6 - штыри в основных конусах

Р ис 4.3 Штырьевое шарошечное долото 6-ВК

В зубчатых шарошечных долотах породоразрушающие зубья выполнены из одного материала с шарошкой, в штыревых - зубья выполнены в виде цилиндрических вставок твердого сплава, запрессованных или запаянных в корпус шарошки. Рабочая поверхность твердосплавных вставок может быть клиновой или сферической.

При бурении в опорах долот возникают большие напряжения, вызывающие их поломку. Прочность опор можно увеличить, если использовать для их изготовления высококачественные стали и увеличить их размеры; конструировать долота, у которых осевая нагрузка передается от штанги непосредственно на шарошечные конуса со значительным уменьшением при этом нагрузки на опоры (в 3—4 раза).

Для успешного применения шарошечного бурения в крепких и весьма крепких породах, кроме прочных опор, необходимы и износостойкие крепкие зубки.

В абразивных породах для уменьшения трения зубков о породу забоя скважин следует применять шарошки с так называемым совершенным конусом, под которым понимается шарошка с полным или усеченным конусом, вершина которой совпадает с осью долота.

Во избежание быстрого истирания тыльной части периферийных зубков шарошки долота необходимо устанавливать под определенным углом к оси долота. Для этого при конструировании долота необходимо соблюдать два условия: 1 - правильно ориентировать конусы, так, чтобы каждый конус касался стенки скважины не двумя, а одной точкой своей периферии (шарошка имеет точку касания со стенкой скважины только в месте сопряжения забоя скважины с ее стенкой) - это повысит стойкость долота, уменьшит конусность скважины и увеличит производительность бурения; 2 - шарошки между собой касаться не должны.

В зависимости от размеров долота опоры шарошек могут быть выполнены по следующим схемам (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Конструкции опор шарошек

Схема 1 (рис. 4.4, а) для шарошечных долот малого диаметра. Достоинство опоры - большая прочность, недостаток трудность удержания смазки в опоре, а следовательно, сильный нагрев и быстрый износ цапф. Поэтому указанная опора может успешно работать при надежном решении вопроса о подаче смазки в подшипники шарошки.

Схема 2 (рис. 4.4, б) для шарошечных долот типа ДШ-10 диаметром 145 мм. Эта опора совершеннее предыдущей, но имеет недостатки, препятствующие успешному ее применению: а) жесткая база опоры (расстояние между центрами шарикового подшипника и подшипника скольжения относительно мало) и недостаточно надежное закрепление шарошки на цапфе; б) трудность удержания смазки в хвостовой части и быстрое истирание последних.

Схема 3 (рис. 4.4, в) для шарошечных долот малого и среднего диаметра. Достоинство этой опоры - малый коэффициент трения, недостаток - относительно малая жесткая база опоры, вследствие чего шарошки не выдерживают больших осевых нагрузок.

Схема, 4 (рис. 4.4, г) опытная и еще недостаточно проворена. Большая жесткая база опоры и возможность надежного закрепления шарошек на цапфе - ее достоинства.

Схема 5 (рис. 4.4, д) для шарошечных долот среднего диаметра. Преимущества этой опоры, как показали опыты,— прочность и сравнительно небольшой износ подшипников при бурении скважин в весьма крепких породах. Необходимость особенно тщательного изготовления опоры - ее недостаток. Такая схема опор применена в шарошках типа 6-6ВК.

Схема 6 (рис. 4.4, е) для шарошечных долот диаметром более 150 мм. Эта опора надежна в работе, но требует тщательного изготовления.

Основные детали шарошечного долота изготавливаются из высококачественных сталей и подвергаются термообработке: шарошки и лапы - главным образом из стали 20ХНЗА. шарики и ролики из стали 55СМА.

Практика показывает, что стойкость шарошечных долот типа ДШ-10А составляет в среднем 6—8 м в породах крепостью 14—18 по Протодьяконову.

Удаление буровой мелочи с забоя производится сжатым воздухом (станки ЗСБШ-200-60, 2СБШ-200Н) или воздушно-водяной смесью (станки СБШ-250МНА, СБШ-320). На всех станках устанавливают винтовые компрессоры, рукавные фильтры для пылеулавливания или емкости с водой для создания воздушно-водяной смеси, подаваемой на забой для очистки скважины и пылеподавления.

Для эффективного выноса бурового шлама из скважины диаметр штанги должен быть на 15—25 мм меньше диаметра долота. При этом полностью обеспечивается вынос частиц бурового шлама, размер которых, как показывает практика, не превышает 8 мм по длине и 4 мм по толщине. Число таких фракций не превышает 10 % от общего количества выбуриваемой породы.

Зазор между штангой и стенками скважины увеличивать не следует, так как с уменьшением диаметра штанги значительно снижается ее прочность, увеличивается расход воды (сжатого воздуха) для промывки и возможность искривления скважины.