Выбор рациональной частоты вращения.

Из выражения Vм = hоб ·n следует, что при неизменной величине hоб. механическая скорость бурения прямо пропорциональна частоте вращения – отсюда общий вывод – чем больше частота вращения, тем больше скорость бурения.

Существуют две гипотезы:

Лыжный эффект - при движении резца со стороны сдвигаемой породы действует сила реакции под углом к горизонтали, которая раскладывается на горизонтальную и на вертикальную составляющие. (Рис. 41). При увеличении скорости движения вертикальная составляющая возрастает и резец как бы наезжает на породу, напоминая движение на водных лыжах, чем быстрее движется резец, тем больше поднимающая сила и тем меньше глубина внедрения резца в породу (такая зависимость была подтверждена опытным путем). Зная это явление можно сохранить оптимальную скорость углубки, если по мере увеличения частоты вращения соответственно увеличивать осевую нагрузку, компенсируя выталкивающую силу. .

Рис. 41. Рис. 42.

Скорость деформации. Под действием осевой нагрузки резец не только внедряется в породу и скалывает слой породы перед собой, но и сжимает слой породы под резцом, в результате сжатия под действием тангенциальных деформаций в породе под резцом образуются трещины ослабляющие слой породы и облегчающие последующим резцам разрушать породу, т.е. происходит предразрушение породы на забое. Однако для того , чтобы образовались трещины предразрушения надо время, а если коронка вращается слишком быстро, трещины могут не успевать возникать, предразрушения не будет и следующему резцу будет труднее внедряться в породу, уменьшится глубина резанья и, следовательно, углубка за оборот.(Рис. 42)

В некоторых случаях при бурении с большими скоростями в слабых породах при слишком больших частотах вращения очистной агент может не успевать очищать забой от частиц разрушенной породы и это тоже может послужить причиной уменьшения углубки за оборот.

Ряд исследований подтверждает убывающую зависимость углубки за оборот при росте частоты вращения. Рис. 43.

Vокр.

Рис. 43.

Выбор расхода очистного агента.

В качестве очистного агента для алмазного бурения чаще всего используется промывочная жидкость со смазывающими и понижающими прочность породы свойствами, т.е. эмульсии и полимерные жидкости, имеющими в своем составе ПАВ. В определенных условиях рационально использовать при алмазном бурении пену.

Расход очистного агента подаваемого на забой скважины должен обеспечивать охлаждение алмазов и своевременную очистку забоя. Практика показывает, что при хорошей очистке забоя охлаждение алмазных резцов вполне достаточно. Исследования показали, что существует минимальный расход очистного, после которого увеличение расхода не улучшает показатели бурения для однослойных коронок, а для импрегнированных коронок приведет к снижению скорости бурения, поскольку для процесса самозатачивания импрегнированной коронки надо, чтобы немного шлама оставалось на забое. Слишком большой расход промывочной жидкости может ухудшить показатели бурения за счет создания гидроподпора и увеличения самозаклинивания керна. Рис. 44.

б

Рис. 44.

Обычно рекомендуется удельный расход промывочной жидкости в л/мин на 1 см. диаметра коронки, для алмазного бурения он равен от 2,5 л/мин./1 см. в самых твердых монолитных малоабразивных породах и до 8 л/мин/см. в слабых зернистых, абразивных породах. Проверить достаточность расхода для выноса породы можно по рекомендуемой скорости восходящего потока Vвп = (0,15 - 0.3) м/сек.

Вопрос-3 (Особенности технологии алмазного бурения в различных горно-технологических условиях)

Особенности технологии алмазного бурения.

Применение алмазного бурения в наиболее твердых породах, высокая стоимость алмазных резцов, чувствительность алмазов к ударным нагрузкам, малый размер резцов и зазора между матрицей и породой забоя, характер обнажения алмазных резцов по принципу самозатачивания обуславливает ряд особенностей:

1. Выбор коронки. Алмазное бурение особенно чувствительно к правильному выбору коронки. Для каждого вида и состояния пород можно подобрать наиболее подходящую коронку, некоторые зарубежные фирмы даже специально изготавливают коронки по образцам пород, в которых предстоит их использовать. Действительно, имеется десятки разновидностей пород, различающихся по своим свойствами состоянию, и десятки вариантов алмазных коронок, различающихся по типу, конструкции, твердости матрицы, сорту и размерам алмазов. Правильный выбор коронки для данных конкретных условий является важной технологической задачей во многом определяющей эффективность бурения.

2. Ресурсосберегающий подход. Учитывая высокую стоимость алмазов, расход алмазов на метр бурения составляет значительную часть себестоимости бурения. Следовательно, при разработки рациональной технологии алмазного бурения, особенно в самых твердых, абразивных, трещиноватых породах, наряду с достижением максимальной производительности необходимо стремиться и к минимальному расходу (износу) алмазов

3. Чистота забоя. Нельзя спускать в скважину алмазную коронку, если на забое оказались осколки твердого сплава (например, после бурения твердосплавной коронкой или долотом с твердосплавными зубками или штырями), осколки металла и даже осколки керна твердых пород. Во всех этих случаях забой должен быть тщательно очищен специальным инструментом или коротким рейсом со старой алмазной коронкой с большой промывкой.

4. Приработка коронки в начале бурения. У всех импрегнированных коронок и у однослойных коронок без заданного выпуска алмазов, алмазы не выступают из матрицы, и чтобы началось бурение коронка 10 – 15 минут при минимальных значениях осевой нагрузки и частоты вращения трется о породу забоя пока не износится матрица и алмазы выступят на оптимальную величину, после чего начинается нормальное бурение, и параметры режима доводятся до рабочих величин.

5. Контроль наружного диаметра коронки и поддержание диаметра скважины. Поскольку алмазное бурение ведется в основном в твердых и очень твердых породах, стенки скважины почти не разрушаются и диаметр скважины почти точно равен диаметру коронки. В процессе бурения коронка изнашивается не только по торцу, но и по наружному диаметру, хотя и на десятые доли миллиметра, но в твердых породах это может привести к тому, что следующая коронка с размером большим в несколько десятых мм. может застрять с суженной части скважины и тогда придется долго и осторожно разбуривать подрезными алмазами стенку, а если спускать снаряд неосторожно, то при вхождении коронки в сильно зауженную часть скважины ее матрица может быть сломана (раздавлена). Поэтому на буровых, где ведется алмазное бурение, обязательно имеется штангенциркуль или прибор « индикатор диаметра коронок» Новую коронку спускают в скважину только если ее диаметр не больше диаметра поднятой из скважины коронки. Для предотвращения износа коронки по наружному диаметру и «конушения» скважины над коронкой в колонковый набор включают алмазный расширитель

6. Поскольку при вращательном бурении для передачи вращения с поверхности от бурового станка на коронку на забое используется колонна бурильных труб, к сожалению, имеющая часто изгибы, несоосность резьбовых соединений, неравномерный износ стенок и другие дефекты, ось бурильной колонны отклоняется от прямой линии, центр тяжести смещяется и при вращении возникают центробежные силы, пропорциональные частоте вращения. При небольшой частоте вращения (до 300 – 500 об/мин.) эти силы не очень велики и колонна либо не прижимается к стенкам скважины, либо прижимается не очень сильно. Но с увеличением частоты вращения прижатие труб к стенкам скважины резко (в квадратичной зависимости, вспомните формулу центробежной силы!) возрастает, за счет чего возникают релаксационные колебания, колонна начинает вращаться рывками, т.е. возникает ВИБРАЦИЯ!

Вопрос-4 (Методы борьбы с вибрацией в алмазном бурение)

Борьба с вибрацией является важным вопросом в технологии алмазного бурения:

1. Применение высококачественных бурильных колонн, постоянный контроль за состоянием труб и их соединений, своевременная отбраковка искривленных и изношенных труб и соединений, селективная сборка колонн на трубных базах.

2. Обязательное использование очистных агентов со смазывающими свойствами.

3. Выбор и поддержание параметров режима бурения (осевая нагрузка, частота вращения), не вызывающих вибрацию,

4. Выбор и применение алмазных коронок, обеспечивающих наиболее равномерное разрушение породы и не имеющих геометрических дефектов, вызывающих генерацию колебаний.

5. Применение механических забойных амортизаторов между бурильными трубами и колонковым набором - в настоящее время практически не применяются.

Вопрос-5 (Характер износа и методы отработки алмазных коронок)

Минимизация интенсивности износа алмазов в процессе бурения зависит от многих факторов, главные из которых следующие:

1. Правильный выбор алмазной коронки для данных пород – тип коронки, качество и размер алмазов, твердость матрицы

2. Нахождение и поддержание рационального режима бурения, обеспечивающего минимальный износ алмазов, для чего наиболее эффективно применять управление процессом бурения по задаваемой оптимальной величине углубки за оборот!

3. Не допускать перегрева алмазной коронки – обеспечивать своевременную полную очистку забоя от выбуренной породы.

4. Применять очистные агенты, обеспечивающие понижение твердости породы на забое за счет проникновения в микротрещины

По видам износ алмазных коронок разделяют на нормальный аномальный и аварийный.

Нормальный износ для однослойных коронок определяется по износу алмазов на 30 – 40% их размера или по износу высоты матрицы на 0,4 – 0,9 мм., но обычно визуально по опыту бурильщика. Нормальный износ импрегнированных коронок определяется по полному износу алмазосодержащего слоя матрицы (обычно 4 мм.) проявляющемуся прекращением углубки и ростом давления на буровом насосе за счет резкого уменьшения сечения промывочных каналов в коронке.

Аномальный износ, когда в коронке остаются работоспособные алмазы, но дальнейшее бурение такой коронкой становится невозможным. К таким видам износа относятся: образование кольцевых канавок на торце матрицы, конушение торца матрицы по внутреннему или по наружному диаметру, заполирование алмазов или торца коронки (для импрегнированных). Причины аномального износа разные для разных его форм:

Образование канавок может быть вызвано недостаточным качеством коронки, когда одна из кольцевых линий резанья оказалась насыщена меньшим количеством алмазов или в ней попался слабо закрепленный алмаз, который, выпав из коронки, выбил из матрицы другие алмазы в этой линии резанья. Канавка может образоваться и при попадании на забой посторонних твердых осколков твердого сплава или металла или зерен очень твердой породы.

Конушение, т.е. преждевременный износ наружной или внутренней частей торца матрицы обычно объясняют воздействием мелких обломков керна твердых пород скапливающихся между керном и коронкой или между коронкой и стенками скважины в сочетании с недостаточным качеством (или неправильным выбором) коронки и не лучшим выбором параметров режима бурения.

Заполирование алмазов в однослойной или торца коронки в импрегнированных происходит при бурении в очень твердых, но малоабразивных породах. В наиболее твердых породах внедрение алмазов в породу минимально, а при высоких скоростях вращения возрастает выталкивающая сила, и алмазы начинают скользить по поверхности породы, резко возрастает работа сил трения и происходит истирание режущей кромки алмазов. Для борьбы с заполированием, прежде всего, подбирают параметры режима бурения – повышают до предельной величины осевую нагрузку и снижают частоту вращения. Это может позволить компенсировать выталкивающую силу и увеличить глубину внедрения алмазов в породу и перевести процесс трения в процесс разрушения породы, а образующийся шлам будет способствовать истиранию матрицы и обнажению алмазов. Более действенным методом борьбы с заполированием является применение высокочастотных гидроударников, которые за счет ударных импульсов позволяют увеличивать глубину внедрения алмазов и значительно уменьшать трение алмазов о породу, что и позволяет устранить или значительно уменьшить заполирование. Третий путь борьбы с заполированием – механическая заточка коронок. Попытки заточить, начавшую заполировываться коронку, не поднимая ее с забоя во время бурения, путем кратковременного выключения промывки – «варварский» метод, приводящий к повышенному расходу алмазов, а то и к аварии.

Аварийный износ. Это, когда коронка разрушается на забое. Это сколы части сектора матрицы или сколы целых секторов.