5.3.6. Влияние сил трения и температурный режим работы алмазного бурового инструмента

Природные алмазы проявляют исключительную стойкость против воздействия окружающей среды. Поверхностное разрушение алмаза может происходить только под воздействием высокой температуры в определенных средах. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850-1000^º, без доступа кислорода графитизация алмаза начинается при температуре 1000-1500^º. Процесс перехода алмаза в графит начинается с потемнения вершин и ребер кристалла, а затем графитовой оборочкой покрываются грани алмаза. В процессе температурной коррозии происходит не только изменение формы кристаллов, но одновременно на их поверхности развиваются разнообразные формы каверн и трещин. Особенно подвержены коррозии алмазы, полученные из россыпей, т.к. они имеют больше механических повреждений, многочисленные поверхностные дефекты, в сравнении с алмазами, добытыми на коренных месторождениях.

В процессе разрушения горных пород усилие, прикладываемое к алмазу в направлении его движения, затрачивается на разрушение горной породы и на преодоление сил трения. На преодоление сил трения, в зависимости от горной породы и величины нагрузки, на алмаз расходуется от 50 до 95% доли тангенциального усилия. Основная часть энергии трения переходит в тепло, что при определенных значениях температур приводит к снижению прочности алмаза, повышенному их износу. Установлено, что алмазы теряют до 30% своей твердости и износостойкости при температуре 600^º и выше. Температура нагрева бурового алмазного инструмента равная 600^º, считается критической, и расчет предельного значения забойной мощности производится при условии соблюдения данного температурного фактора [6].

Коэффициент трения, задающий уровень сил трения резцов о породу, полированного алмаза в 4-10 раз ниже, чем у необработанного и овализованного алмазов (табл.5.2, 5.3) [14]. Это позволяет более эффективно реализовывать подводимую к забою мощность, например, за счет повышения нагрузки на буровой инструмент.

Как следует из данных, приведенных в табл. 5.2, 5.3, вода, смазки и растворы с поверхностно-активными веществами снижают коэффициент трения овализованного алмаза о породу и практически мало влияют на коэффициент трения о породу полированного алмаза.

Снижение коэффициента трения алмазов по породе приводит к снижению крутящего момента, расходу энергии на разрушение горной породы. Например, при работе овализованными алмазами расход энергии на единицу проходки в 2-3 раза выше, чем полированными, что позволяет повысить осевую нагрузку на коронку, оснащенную полированными алмазами и добиться значительного повышения эффективности работы полированных алмазов в сравнении с необработанными. Наряду с уменьшением затрат мощности на разрушение горных пород, уменьшение коэффициента трения алмазов по горной породе приводит к повышению износостойкости алмазов и коронок в целом. Одной из основных причин повышения износостойкости алмазов является снижение сил трения алмазов по горной породе и, соответственно, уменьшение контактных температур.

С равнительные испытания коронок, оснащенных полиро-ванными и необработанными алмазами, показывают, что полированные алмазы способны обеспечивать в два раза более высокий ресурс коронок, чем дробленые [14].

Экспериментальные работы по оценке темпера-турного режима при работе бурового инструмента показали, что температуры достигают нескольких сот градусов. При этом на температуру в зоне контакта алмаза с породой влияет множество факторов. Это, прежде всего, параметры режима бурения, твердость горной породы, вид промывочной жидкости.

На рис. 5.48 приведены экспериментально полученные зависимости температуры алмаза при резании единичным алмазом габбро [14]. Из представленных данных следует, что увеличение скорости резания и подачи резко повышают температуру алмаза, при этом чем выше подача, тем более резко возрастает температура. Сравнение кривых, полученных при охлаждении алмаза эмульсией и водой, показало, что для всех вариантов эксперимента лучше охлаждает резец вода. Этот вывод полностью совпадает с ранее представленными данными (глава 3, рис. 3.11 и 3.12) и еще раз подтверждает, что вода обладает более высокой охлаждающей способностью в сравнении с различными водными, в частности, глинистыми растворами.

Замеры температуры алмаза на контакте с породой и на удалении от него на расстояние 1,8 мм показало значительную разность температур, при этом эта разность максимальна при охлаждении алмаза водой.

Исследования показывают [14], что между твердостью горных пород и температурой резцов существует тесная корреляционная связь, которая соответствует прямо пропорциональной зависимости. Например, повышение твердости породы в 4,45 раза приводит к возрастанию температуры резца в 6,3 раза [14].

Исследование теплового режима алмазных коронок позволило установить, что тепловой баланс на забое при скорости вращения коронки 800 мин^-1 наступает в течение 4-5 с. За это время температура матрицы коронки возрастает до максимального значения, а затем остается постоянной. Замеры температуры в нескольких точках матрицы по её высоте показали, что высокие температуры наблюдаются только в тонком слое матрицы коронки, измеряемом сотыми долями мм. На расстоянии 0,5 мм от торца матрицы температура не превышает 80^º С [14].

Измерения температуры горной породы на забое позволили установить [14], что в призабойной зоне толщиной 0,5 мм при работе коронки наблюдается колебание температуры с частотой, равной произведению числа оборотов коронки на число секторов матрицы. На глубине 0,5 мм устанавливается постоянная температура, равная 25-30^ºС (при температуре охлаждающей жидкости +5^º С). На глубине 4-6 мм от поверхности забоя температура породы становится равной температуре основного массива породы.

Анализ теплового баланса показывает [14], что 85-99% тепла отводится от коронки с промывочной жидкостью, остальная часть тепла уходит на нагревание породы.

Из параметров режима бурения основным фактором, вызывающим нагрев бурового инструмента, является осевая нагрузка. Частота вращения оказывает существенно меньшее влияние на нагрев инструмента, а при повышении частоты вращения рост температуры значительно отстает от увеличения числа оборотов коронки. Это, возможно, связано с тем, что рост частоты вращения приводит к усилению процесса теплообмена коронки и промывочной жидкости. Например, повышение частоты вращения коронки в 9 раз привело к повышению температуры матрицы в 1,8 раза.

Исследование температуры матрицы коронки в зависимости от количества подаваемой на забой промывочной жидкости показало, что при значительном её уменьшении повышение температуры в зоне контакта коронки с забоем незначительно. Только при снижении количества жидкости до уровня, не обеспечивающего очистку забоя от шлама, в зоне контакта наблюдается значительное повышение температуры. Прекращение циркуляции промывочной жидкости приводит коронку к критическому (аварийному) состоянию за 1-2 минуты [14].

Таким образом, исследования температурного поля в единичном алмазе и матрице коронки при бурении показали, что наиболее интенсивное увеличение температуры в матрице алмазной коронки происходит при увеличении осевой нагрузки на инструмент с возрастанием твердости буримых горных пород.

Предельно допустимое значение забойной мощности рассчитывается по показателю интенсивности теплообмена алмазного инструмента с промывочной жидкостью [7]:

, (5.61)

где К_о – показатель интенсивности теплообмена коронки с очистным агентом, Вт/^º C;

К_н – коэффициент нагрева коронки, характеризующий распределение теплового потока, генерируемого на забое, в буримую породу и коронку (К_н=0,87-0,93);

t_a – тепловая стойкость алмазов, градус;

t_o – температура очистного агента, градус.

Зависимость (5.60) позволяет установить предельные значения параметров режима бурения по температурному фактору. Сопоставляя зависимости (4.4) и (5.60) получим соотношение:

, (5.62)

из которого следует условие предельных значений параметров режима бурения при заданных значениях параметров теплообмена между буровым инструментом, очистным агентом и горной породой.

Как показывает анализ, предельная мощность N_пр имеет тенденцию к росту пропорционально повышению расхода очистного агента и обратно пропорционально изменению размеров объемных алмазов: при уменьшении размеров объемных алмазов предельная мощность растет [7].

Вид очистного агента также существенно влияет на величину N_пр: при работе с водой она на порядок выше, чем при бурении с воздухом.

Размер бурового инструмента также влияет на величину N_пр: для однослойных коронок 59 мм предел мощности больше, чем для подобных коронок диаметром 76 мм, что следует из выше приведенного соотношения.

Таким образом, величина предельной забойной мощности является объективной теплоэнергетической характеристикой бурового инструмента и способствует выбору оптимальных параметров режима бурения, при которых обеспечивается нормальный тепловой режим работы алмазного инструмента.

Исследования, выполненные в Санкт-Петербургском горном институте под руководством Б.Б. Кудряшова, позволили получить зависимости для расчета температуры нагрева торца бурового инструмента

, (5.63)

где N – мощность, подведенная для разрушения породы на забое, Вт;

α_н,α_вн – коэффициенты теплоотдачи между коронкой и стенкой скважины и между коронкой и керном соответственно, Вт/ (м² × градус);

D_н, d_вн – наружный и внутренний диаметры коронки, м;

λ_к – коэффициент теплопроводности материала коронки, Вт/ (м ×градус) – для сталей 35 и 45 λ_к=45-50 Вт/ м × градус;

G – массовый расход очистного агента, кг/c;

c – удельная массовая теплоемкость очистного агента, Дж/(кг × градус);

χ – геотермический градиент, градус × м (для различных регионов Земли χ = 0,05-0,25⁰С/м, для районов с наличием вечной мерзлоты χ = 0,02^ºС/м);

H – глубина скважины, м;

t_п – температура породы у поверхности, градус.

Коэффициенты α_н,α_вн, в зависимости от типа очистного агента, рассчитываются по следующим формулам [19]:

- при промывке водой α_н,α_вн = ,

где Re – параметр Рейнольдса, равный ;

υ – кинематическая вязкость очистного агента, м²/с;

a – коэффициент температуропроводности промывочного агента, м²/c;

v – скорость потока очистного агента, м/c;

λ – коэффициент теплопроводности очистного агента при средней температуре в скважине, Вт/м×градус;

D_э – эквивалентный диаметр канала потока (при движении внутри труб равен внутреннему диаметру труб, при движении в кольцевом зазоре разности диаметра скважины и наружного диаметра труб).

Значительный интерес представляет расчет температуры нагрева режущих граней алмазов при работе коронки на забое. Этот расчет производится по формуле Л.К. Горшкова, которая получена из зависимости (5.61) [7, 19]:

. (5.64)

Коэффициент К_о можно ориентировочно рассчитать из формулы [7]:

, (5.65)

где λ_а – теплопроводность алмазов (146,5 ), Вт/ (м ×градус);

f_a, f_m – площади поперченных сечений соответственно контактов алмазов с породой и матрицы коронки, м²;

m – коэффициент, вычисляемый по формуле [7] ;

П_а – периметр алмазных зерен на уровне контакта их с забоем, м;

α – коэффициент теплоотдачи на поверхности коронки, Вт/(м²×градус).

Средняя площадь контакта алмазов с забоем определяется по зависимости [19]

, (5.66)

где d_a – средний условный диаметр объемных алмазов, м;

h – глубина внедрения объемных алмазов в породу (для практических ориентировочных расчетов можно принять h = 0,01d_a);

z_m – число одновременно контактирующих с забоем объемных алмазов. Для расчетов для однослойных коронок принимается z_m = ⅔ от общего числа объемных алмазов, для импрегнированных z_m ≈½ от общего числа алмазов в слое. Число слоев в импрегнированной коронке определяется отношением высоты алмазосодержащей части матрицы (4-5 мм) к средней величине диаметра алмазов.

Площадь поперечного сечения матрицы можно рассчитать по зависимости

, (5.67)

где l , b, k – длина, ширина и число промывочных каналов, м;

Периметр алмазных зерен на уровне их контакта с забоем определяется по зависимости

. (5.68)

При расчетах теплоотдачи следует учитывать скорость движения потока очистного агента в промывочных каналах, которая может рассчитываться по формуле:

, (5.69)

где Q – расход очистного агента, л/мин;

H_k – глубина промывочного канала, м;

• Пример [19]. Рассчитать температуру объемных алмазов однослойной коронки (зернистость алмазов 20-30 шт./карат, поэтому диаметр алмазных зерен 2,25×10^-3 м, масса алмазов 8 карат, число промывочных каналов 6, ширина канала 0,008 м, длина канала 0,0085 м, глубина канала 0,004 м) диаметром 76 мм при бурении с промывкой водой при следующих параметрах режима бурения: Р_ос= 1000 даН, ω=600 мин^-1, расход жидкости 40 л/мин. Горные породы IX кат. по буримости. Температура промывочной жидкости 15^º С.

Средняя площадь контакта алмазов будет равна:

f_a = м².

Площадь поперечного сечения матрицы

м².

Периметр П_а будет равен

м.

Для расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем скорость потока очистного агента в промывочных каналах

м/с.

Число Re cоставит

Коэффициент теплоотдачи будет равен .

Рассчитаем коэффициент m:

С учетом полученного значения коэффициента m коэффициент интенсивности теплообмена К_о будет равен

Рассчитаем значение мощности, затрачиваемой на забое при работе коронки:

кВт.

В результате по формуле (5.64) определяем температуру алмазных резцов

Из полученного значения температуры следует, что алмазные резцы работают в нормальных, далеких от экстремальных значений температур, условиях.