Глава 6. Разрушение горных пород при вращательно-ударном, ударно-вращательном и ударном способах бурения

6.1. Разрушение горных пород при вращательно-ударном способе бурения

Эффективность вращательного бурения твердых горных пород алмазным и шарошечным буровым инструментом может быть существенно повышена за счет наложения высокочастотных ударных импульсов.

Вращательно-ударный способ бурения – это метод разрушения пород вследствие воздействия осевой нагрузки, крутящего момента, характерных для вращательного бурения, и динамической нагрузки, прилагаемой к буровому инструменту в режиме высокочастотных ударных импульсов малой и средней энергии.

Вследствие приложения высокочастотных ударных импульсов в горной породе развиваются дополнительные напряжения и формируются трещины. Особенно значительным становится эффект от ударных импульсов при бурении чрезвычайно твердых, хрупких и малоабразивных горных пород, поскольку применяемые осевые нагрузки на инструмент при вращательном бурении скважин диаметром 46, 59, 76 мм могут быть недостаточны для создания необходимых для объемного разрушения горных пород напряжений. При этом более вероятен недостаток разрушающих напряжений при алмазном бурении твердых и очень твердых горных пород коронками с увеличенной шириной матричного кольца (коронки для бурения снарядами со съемным керноприемником – ССК) и при бурении долотами, поскольку в данных случаях особенно проблематично создание достаточных для разрушения контактных напряжений из-за увеличенной площади торца буровых инструментов. Повышение же осевой нагрузки до определенных пределов при вращательном бурении твердых горных пород сдерживается ограниченной прочностью бурильных колонн (особенно колонн ССК), их деформируемостью и, соответственно, вибрацией при бурении, ограничением мощности привода буровых станков при бурении на близких к предельным, по мощности привода, глубинах, наличием кривизны ствола скважины и др.

В этих случаях дополнительным силовым фактором, способным интенсифицировать процесс разрушения горной породы, является ударный импульс малой и средней мощности, передаваемый буровой компоновке и буровому инструменту с высокой частотой.

Немаловажным обстоятельством, определяющим повышение эффективности бурения при наложении высокочастотной вибрации на буровую компоновку, является снижение коэффициента трения между колонной и стенкой скважины, что приводит к значительному улучшению условий работы деформированной бурильной колонны.

Так, например, вибрационный, с наложением крутильных колебаний, вид движения бурильной колонны и бурового инструмента ( , R₃) преобразуется в более равномерный, максимально соответствующий оптимальным условиям передачи к буровому инструменту осевой нагрузки и крутящего момента ( ).

Рост показателей вращательно-ударного бурения связан со снижением подклинок керна в колонковом снаряде, что также является следствием продольного вибрирования бурового снаряда.

6.1.1. Разрушение горных пород алмазным инструментом в режиме вращательно-ударного бурения

Обоснование эффективности бурения алмазным инструментом с наложением высокочастотных ударных импульсов сделано А.Т. Киселевым и И.Н. Крусиром в работе [12].

Анализ условий работы алмазных резцов показывает, что стойкость алмазов при вращении обусловлена, прежде всего, изгибающими напряжениями, а не напряжениями на раздавливание. Известные [9, 10, 12, 30, 33 и др.] и представленные в данном пособии зависимости расчета усилия резания-скалывания твердосплавными и алмазными резцами показывают, что основная часть этого усилия (60-80%) расходуется на преодоление силы трения резцов о породу [см. зависимости (5.12), (5.53)] и лишь меньшая доля собственно на разрушение породы.

Тангенциальное усилие в общем виде определяется суммой сил, затрачиваемых на разрушение породы F_р и преодоление сил трения F_тр (F_т = F_p + F_тр).

Рассмотрим полученные ранее зависимости определения тангенциального усилия для твердосплавного и алмазного резцов:

;

.

Как следует из приведенных формул, повышение осевого усилия приводит, прежде всего, к росту силы трения резцов о породу.

Таким образом, имеющийся значительный резерв прочностных свойств резцов на сжатие при вращательном бурении не реализуется, поскольку повышение осевого усилия приводит к скалыванию резцов, испытывающих значительные поперечные нагрузки, сопровождающиеся ударами, характерные для процесса скалывания твердых и хрупких горных пород. Реализовать резерв прочности резцов в осевом направлении возможно за счет импульсного приложения нагрузки в направлении перпендикулярном плоскости забоя. В этом случае, в результате кратковременности действия ударного импульса, силы трения на границе резец – горная порода не успевают развиваться и тангенциальная состав-ляющая разрушения породы, несмотря на передачу дополнительной энергии, увеличивается незначительно. При этом важным обстоятельством является вибрирование инструмента и ударный характер нагрузок, что приводит к снижению коэффициента трения, и способствует скалыванию и отделению кусочков породы от забоя.

Т аким образом, прилагая нагрузку в виде кратковременных импульсов, направленных перпендикулярно к плоскости забоя, можно передать для разрушения горной породы бóльшую энергию и интенсифицировать процесс вращательного бурения. При этом более полно будет использован потенциал прочности породоразрушающих резцов бурового инструмента.

На рис. 6.1, в приведена схема, которая дана в развитие ранее представленных на рис. 5.34 схем работы алмазного резца при вращательном бурении. Из данной схемы следует, что приложение ударного импульса интенсифицирует разрушение породы за счет повышения осевой силовой составляющей, что приводит к росту глубины внедрения резца и дополнительному развитию трещин предразрушения забоя. При этом тангенциальное усилие возрастает в меньшей степени, в сравнении с вращательным бурением, что незначительно увеличивает износ и сохраняет работоспособность резцов.

Если при анализе использовать ранее полученную зависимость (5.47) для расчета глубины внедрения резца с учетом влияния на разрушение усилия, реализуемое ударным импульсом Р_уд, то это выражение будет выглядеть следующим образом:

. (6.1)

При приложении к алмазной коронке ударных импульсов алмазы внедряются в породу, а избыточный запас энергии удара воспринимает матрица коронки. Повышение контактных напряжений и увеличение глубины внедрения алмазов в породу приводит к увеличению объема слоя породы, разрушаемого за один оборот. В результате отмечается образование более крупных частиц шлама, происходит более интенсивный абразивный износ матрицы и более активное, в сравнении с вращательным бурением, обнажение алмазов. Таким образом, в меньшей степени проявляются условия, приводящие к заполированию алмазов. Практика гидроударно-алмазного бурения подтверждает чрезвычайно редкие случаи заполирования алмазов [31], что позволяет рекомендовать вращательно-ударное бурение алмазным инструментом горных пород, склонных вызывать заполирование алмазов.

При приложении определенного количества энергии в виде ударного импульса достигается соответствующая глубина разрушения горной породы. Однако, как это уже отмечено (глава 2, рис. 2.36, 2.38, 2.39), при приложении определенного количества энергии происходит скачкообразное увеличение объема и глубины лунки разрушения. Для практической реализации вращательно-ударного бурения, учитывая реальную прочность резцов, при проектировании высокочастотных гидроударных машин рациональную энергию удара выбирали по первому скачку разрушения, который для алмазных и твердосплавных резцов размером 1,5-2,0 мм при разрушении твердых пород наблюдается при энергии удара 0,3-0,5 Дж [12].

На рис. 6.2 представлены результаты исследований влияния ударных импульсов на показатели бурения алмазными коронками диаметром 59 мм [12].

Как следует из графиков, зависимости изменения механической скорости бурения и проходки на коронку имеют оптимальное значение при 15-20 Дж. С увеличением твердости горных пород оптимальные значения величины энергии удара смещается в сторону меньших значений энергии.

Осмотр алмазных коронок показал, что с увеличением твердости пород и энергии удара интенсивность износа алмазов увеличивается, что и приводит к снижению проходки на коронку.

Рациональной для алмазных коронок диаметром 59 мм оказалась энергия удара 15 Дж, для коронок диаметром 76 мм 20 Дж.

О птимальная частота ударных импульсов n_уд, передаваемых породе, при вращательно-ударном бурении должна быть равна частоте циклов разрушения породы резцами [12]. Частота циклов разрушения породы за один оборот инструмента на забое n_ц определится из соотношения длины пери-метра забоя радиусом R и интервала скола породы передней гранью резца l_ц [12]

.

Оптимальная частота ударных импульсов, при принятом условии равенства частоте циклов разрушения породы резцами, будет определяться из зависимости

, (6.2)

где h_л – глубина борозды разрушения резцом, м;

n_p – число активно работающих резцов в линии резания на торце коронки;

γ_ск – угол скалывания породы резцом, градус.

Из формулы (6.2) следует, что оптимальная частота ударов по забою пропорциональна частоте вращения инструмента, а значит, при повышении частоты вращения бурового инструмента частота ударных импульсов должна повышаться в равной степени. Действительно, опыт вращательно-ударного бурения свидетельствует, что с увеличением частоты вращения инструмента при постоянной частоте ударов эффективность наложения ударных импульсов снижается: рост механической скорости бурения при частоте вращения 300 мин^-1 составил 1,5-2,0 раза, а при частоте вращения 1000 мин^-1 только 1,1-1,3 раза [31].

Рациональная частота вращения бурового инструмента с учетом абсолютного значения механической скорости бурения и ресурса инструмента, возможно, заключена между приведенными значениями частот вращения – 300 и 1000 мин^-1.

При известной частоте ударов n_уд, реализуемой гидроударником, которая может варьировать в пределах 2500-3500 ударов в минуту, важно определить рациональную частоту вращения бурового инструмента. С учетом зависимости для расчета числа активно работающих резцов n_p [формула (5.46)] из зависимости (6.2) получим:

, (6.3)

где N₀ – число резцов в линии резания на торце коронки (средняя линия торца матрицы на расстоянии от центра торца равном R);

h – глубина внедрения резца в породу (рассчитывается по формуле (5.42), м.

• Пример. При частоте 3000 ударов в минуту при бурении алмазной коронкой диаметром 59 мм, диаметре резцов 1,5 мм, N₀ = 80, R=25,25 мм, угле скалывания породы 15^º рациональная частота вращения коронки будет равна:

мин^-1.

Из приведенного расчета следует, что для эффективной реализации вращательно-ударного алмазного бурения на высоких частотах вращения бурового инструмента следует применять забойные ударные машины, реализующие максимально возможные частоты ударов. Резерв повышения эффективности определяется также повышением глубины внедрения резцов в породу. Поэтому лучшие результаты бурения могут быть получены при использовании алмазного инструмента с заданным увеличенным выпуском резцов. Более высокой оптимальная частота вращения будет при бурении импрегнированными коронками, т.к. существенно возрастает число работающих резцов.

Результаты алмазного вращательно-ударного бурения в ПГО «Севзапгеология» (данные И.С. Афанасьева и др.) свидетельствуют, что лучшие результаты по механической скорости бурения получены при частотах вращения 300-780 мин^-1, при этом интенсивность роста механической скорости бурения импрегнированными коронками оказалась выше, чем при бурении однослойными. В то же время эффект применения высокочастотных гидроударников ГВ-6 и Г-59В снижается при использовании однослойных коронок с более крупными алмазами.

Осевая нагрузка при вращательно-ударном бурении играет не меньшую роль, чем частота вращения и должна подбираться наряду с частотой вращения. Для месторождений Северо-Запада, по результатам буровых работ, определено, что при частоте вращения инструмента 430 мин^-1 оптимальными для однослойных коронок будут осевые нагрузки 1200-1600 даН, а для импрегнированных 1100-1800 даН.

При алмазном вращательно-ударном бурении на забой необходимо подавать пониженное количество промывочной жидкости, соответствующее требованиям бурения алмазным инструментом. В то же время для работы гидроударника требуется значительное количество промывочной жидкости, существенно превышающее нужное количество по условию эффективного разрушения породы алмазным инструментом.

Для уменьшения количества поступающей на забой промывочной жидкости в корпусе кернорвателя сверлят отверстия или применяют специальные делители потока промывочной жидкости.

Максимальный эффект от применения вращательно-ударного бурения в различных производственных организациях получен при бурении твердых, хрупких и малоабразивных горных пород, при разрушении которых алмазными коронками имеет место заполирование алмазов: механическая скорость возрастает на 30-40%, углубка за рейс увеличивается на 15-25%, ресурс коронок повышается на 35-50%, выход керна возрастает с 70% до 80-90%, снижается интенсивность естественного искривления скважин.