5.3.4. Динамические нагрузки на алмазы в процессе разрушения горных пород

Повышенная хрупкость алмаза делает его очень чувствительным к вибрации. При сильной вибрации ресурс алмазного бурового инструмента может снижаться в десятки раз по сравнению с инструментом, отработанным без наложения вибрации.

Вибрации бурового инструмента возникают из-за неравномерности разрушения горной породы и несовершенств самого инструмента, например, вследствие неперпендикулярности торца, несовпадения осей корпуса, матрицы, резьбы и др.

К ак правило, колебания инструмента происходят с частотой, кратной частоте вращения снаряда. Так, при частоте вращения колонны 200-800 мин^-1 алмазная коронка претерпевает от 3,3 до 13,3 колебания в секунду [14]. Колебания инструмента приводят к динамическим нагрузкам на алмазы. Исследования динамических усилий, возникающих при разрушении горной породы единичным алмазом, показали [14], что процесс разрушения горной породы резанием-скалыванием происходит скачкообразно. Амплитуда как осевого, так и тангенциального усилий разрушения непрерывно меняется. Причем каждому импульсу силы на осциллограмме (рис. 5.40) соответствует единичный акт разрушения горной породы. Запись единичных актов разрушения при больших скоростях позволяет утверждать, что по внешнему виду осциллограмма единичного акта разрушения во многом сходна с графиком разрушения упруго-хрупкой породы индентором, записанного прибором УМГП при определении твердости горной породы (рис. 3.3).

При этом рассмотрение каждого отдельного импульса на осциллограмме (рис. 5.40) показывает, что нагрузка на алмазе возрастает от минимальных до максимальных значений в сотые и тысячные доли секунды. По существу, каждый импульс на осциллограмме соответствует микроудару алмаза по горной породе.

Таблица 5.5

Зависимость изменения характеристик микроудара алмаза по горной породе

от нагрузки и скорости резания [14]

Частота вращения, мин^-1	Осевая нагрузка, даН			Тангенциальное усилие, даН			Импульс силы при пересечении трещины, даН		Продолжи-тельность импульса, с
	min	max	импульс силы, даН	min	max	импульс силы, даН	осевая сила, даН	тангенци-альное усилие, даН
120	4,2 4,9 6,1 6,9 7,25 8,5	7,1 7,9 8,9 12,2 12,75 11,2	2,9 3,0 2,7 5,3 5,5 2,7	1,4 2,0 2,3 2,1 2,9 2,5	3,2 4,0 3,4 4,5 3,15 3,5	1,8 2,0 1,1 2,4 1,25 1,0	7,3 6,25 7,25 9,5 15,0 9,5	4,0 4,25 4,3 5,4 5,7 5,0	0,003 0,003 0,002 0,004 0,004 0,004
375	4,5 5,3 5,5	7,0 8,6 8,0	2,5 3,25 2,5	1,5 2,0 2,1	3,1 3,5 3,1	1,6 1,5 1,0	7,25 6,5 5,6	4,7 4,3 3,25	0,002 0,002 0,0015
500	3,75 5,5 5,75	6,05 7,0 7,5	2,3 1,5 1,75	1,6 1,6 2,0	2,8 3,0 3,0	1,2 1,4 1,0	5,25 5,75 5,75	3,4 3,8 3,2	0,002 0,002 0,001
700	6,5 6,8 7,0	8,7 8,3 9,3	2,2 1,5 2,3	2,0 2,0 2,1	3,0 2,9 3,1	1,0 0,9 1,0	6,5 7,0 7,6	2,8 3,0 4,4	0,0016 0,0016 0,001

Динамический характер разрушения связан, прежде всего, с тем, что, произведя скалывание породы передней гранью и создав относительно свободное пространство перед собой, алмаз, определенный участок пути l_п может проходить вхолостую, а затем, достигнув неразрушенной породы на пути своего движения, вновь сталкивается с породой, испытывая при этом динамические нагрузки (рис. 5.41).

Т аким образом, в твердых упруго-хрупких и хрупких породах разрушение происходит циклически: микроудар – холостой ход – микроудар – холостой ход и т.д.

В табл. 5.5 приведено соотношение динамических и тангенциальных и осевых усилий разрушения, а также импульс силы при разрушении хрупкого мигматита (твердость 3000 МПа, коэффициент пластичности 1) [14]. При проведении эксперимента наряду с микроударами при резании-скалывании монолитной породы фиксировался микроудар алмазного резца при пересечении открытой трещины.

Представленные данные показывают, что алмаз воспринимает, в зависимости от частоты вращения инструмента, от 300 до 700 микроударов в cекунду, но с увеличением скорости перемещения резца количество микроударов на единицу пути уменьшается. Сила удара, воспринимаемого алмазом при пересечении трещины, зависит от твердости горных пород и глубины внедрения алмаза в породу (рис. 5.40).

Н а рис. 5.40 приведены осциллограммы микроударов в момент пересечения алмазом открытой трещины при различной глубине внедрения алмаза в породу – альбитофир. При ширине трещины, равной или несколько превышающей размер внедрившейся части алмаза, в момент пересечения трещины нагрузка на алмаз падает до нуля, а затем резко возрастает. С увеличением глубины внедрения алмаза в породу (повышение осевой нагрузки на резец) меняется амплитуда колебаний усилий до 1,5-2 раз [14].

На рис. 5.42 приведены осцил-лограммы резания-скалывания габбро, альбитофира и перидотита твердостью соответственно 4360, 2760 и 2060 МПа [14].

Из приведенных данных следует, что максимальные динамические нагрузки на алмазный резец возникают при разрушении более твердого габбро, а при разрушении перидотита не наблюдается значительных колебаний осевого и тангенциального усилий.

Наличие трещины (импульсы Б на рис. 5.42) приводит к значительным перегрузкам на резец, которые особенно заметны на фоне незначительных динамических колебаний осевого и тангенциального усилий при разрушении перидотита (рис. 5.42, в).

Работа, затрачиваемая на деформацию алмаза в момент микроудара, может определяться зависимостью [14]:

, (5.55)

где Р_об – суммарное усилие, действующее на алмаз, даН;

v – скорость перемещения резца по горной породы, м/c;

Δt – продолжительность микроудара, с.

Суммарное усилие, действующее на алмаз и приводящее к удару резца о породу за трещиной, примем равным тангенциальному усилию, которое можно рассчитать по зависимостям (5.49) и (5.53).

Полученные зависимости (5.49) и (5.53) можно заменить значением тангенциального усилия, рассчитанного с использованием имеющихся данных (табл.5.2-5.4), в соответствии с формулой F_т = tgα P, где α – угол между векторами осевой и результирующей сил, действующих при работе резца (см. рис. 5.33).

В соответствии с данными из табл.5.2-5.4 угол α (рис. 5.33) между направлениями действия осевого Р и результирующего R усилий может быть равен:

- для овализованного и необработанного алмазов при бурении пород средней твердости 33^º-39^º, твердых и крепких 30^º;

- для полированных алмазов при бурении горных пород средней твердости 14⁰-26⁰, при бурении твердых и крепких пород 7^º-8^º.

Таким образом, полированный алмаз будет более устойчив при работе по трещиноватым породам, т.к. при прочих равных условиях на него будет действовать меньшее горизонтальное усилие, вызывающее микроудар.

Скорость перемещения алмаза равна:

, (5.56)

где D_т – диаметр окружности, по которой движется алмаз по забою скважины, м;

ω – частота вращения бурового инструмента, с^-1;

Из формулы (5.56) следует, что самыми нагруженными будут алмазы, располагаемые по внешнему периметру торца бурового инструмента, поскольку именно эти алмазы движутся с максимальной линейной скоростью и испытывают наибольшие динамические нагрузки при работе инструмента, особенно при бурении трещиноватых горных пород. Опыт бурения показывает, что при бурении трещиноватых пород наиболее типичным является образование фаски именно на внешнем контуре алмазосодержащей матрицы.

По данным, приведенным в работе [14], предельной по условию прочности алмаза будет скорость перед соударением, равная 2,42 м/c, что позволяет ориентировочно определять допустимое значение частоты вращения коронки при бурении трещиноватых пород, используя зависимость (5.56): .

Горная порода является диссипативной системой, что приводит к поглощению энергии ударного столкновения алмаза и породы. Влияние диссипативных свойств породы можно учесть через коэффициент внутреннего трения горной породы, который равен tgφ.

• Диссипация (от лат. dissipatio – рассеяние) – явление рассеивания механической энергии при движении, деформировании с переходом кинетической энергии в тепловую.

С учетом сделанных дополнений формула расчета работы, затрачиваемой на деформирование алмаза в момент микроудара, будет равна:

, (5.57)

где P – осевая нагрузка на алмаз, даН;

Выразив в формуле (5.57) нагрузку на алмаз через общую нагрузку на буровой инструмент Р_ос = Р×N_с, где N_с – число торцевых алмазов, можно получить формулу для расчета предельного, по условию прочности алмазов, значения частоты вращения коронки:

, (5.58)

где A_уд – работа, необходимая для разрушения алмаза при динамическом нагружении;

k – коэффициент запаса прочности алмаза (k = 1,5-2) [14];

Для алмазов зернистостью 30-90 шт/карат А_уд = 0,14-0,2 Дж [14].

Число работающих на разрушение породы алмазов n_p определим по формуле (5.46), из которой следует, что число алмазов, работающих на разрушение горной породы на забое, может быть меньше общего числа резцов на торце.

С учетом сделанных поправок формула (5.58) будет выглядеть следующим образом:

, (5.59)

где n_p – число алмазных резцов, активно работающих на разрушение породы [определяется по формуле (5.46)].

• Пример. Рассчитать предельную частоту вращения алмазной коронки диаметром 59 мм при бурении трещиноватой породы твердостью 2700 МПа, числе торцевых алмазов 150. Запас прочности для алмаза k=2, Р_ос=10000 Н, начальная частота вращения 700 мин^-1. Угол внутреннего трения породы φ= 25 градусов.

Для частоты вращения 700 мин^-1 Δt = 0,02 с.

Для полированного алмаза угол α=10^º, А_уд=0,2 Дж, а для необработанного алмаза α=25^º, А_уд=0,14 Дж.

Рассчитаем допустимую частоту вращения для коронки с полированными алмазами:

477 мин^-1.

Рассчитаем допустимую частоту вращения для коронки с необработанными алмазами:

126 мин^-1.

Поскольку Δt принято для ω=700 мин^-1, расчет следует повторить для ω, равной 477 и 126 мин^-1, для которых Δt равняется 0,02 и 0,03 соответственно. Значит, ω_пт для полированного алмаза не изменится, а для необработанного составит 84 мин^-1.

Без учета запаса прочности алмаза предельные значения частоты вращения для коронки, оснащенной полированными алмазами, будет равна 954, а для коронки оснащенной низкосортными необработанными алмазами 168 мин^-1.

Таким образом, возможен определенный предел частоты вращения коронки при бурении трещиноватых горных пород. При этом более стойкими к повышенному износу будут коронки, армированные более прочными полированными алмазами, коронки, оснащенные более мелкими резцами, которые более прочны и в большем количестве формируют вооружение коронки. В то же время из формул (5.55) и (5.59) следует, что динамическая нагрузка на алмазы возрастает не пропорционально повышению частоты вращения, т.к. при росте линейной скорости перемещения алмазного резца снижается длительность ударного импульса Δt и величина тангенциального усилия. Поэтому можно утверждать, что для мелкорезцовых алмазных коронок, изготовленных с использованием высококачественных алмазов, а также при повышенной прочности закрепления алмазов в матрице предел частоты вращения коронки при бурении трещиноватых горных пород может быть близок к аналогичному показателю при бурении таких же, но монолитных горных пород.

Бурение в трещиноватых горных породах имеет ряд особенностей. Значительное влияние на процесс бурения в трещиноватых горных породах оказывает оптимальное сочетание режимных параметров, и в первую очередь осевой нагрузки на буровой инструмент и частоты вращения.

Экспериментальными исследованиями и данными практики установлено, что осевая нагрузка на буровую коронку и частота вращения снаряда должны снижаться по мере увеличения степени трещиноватости пород до 50% от значений, принятых для монолитных пород. Это связано с тем, что при появлении трещиноватости горных пород изменяется механизм их разрушения.

Т рещины способствуют развитию деформаций в породе, возрастает объем разрушенной породы при подходе резца к трещине, увеличивается и размер разрушенных частиц породы (рис. 5.43). При подходе резца к трещине наблюдается расширение и углубление борозды разрушения в 1,5-2 раза.

Таким образом, наличие трещин способствует разрушению горной породы. Степень понижения прочности забоя скважины определяется размером трещины, их количеством на единице площади забоя и ориентацией трещин по отношению к забою скважины.

В то же время работа резца, пересекающего трещину, как уже отмечено выше, носит чрезвычайно динамический характер, поскольку скол породы при подходе к трещине обеспечивает резцу «пробег» на интервале l_т без какого- либо сопротивления до противоположного борта трещины (рис. 5.43, а), а при встрече резца с бортом трещины происходит удар, в результате которого может произойти слом резца.

Особенно чувствительны к подобным ударным нагрузкам буровые инструменты резцового типа – твердосплавные коронки, лопастные долота и алмазные буровые коронки.

Импульсный характер процесса бурения трещиноватых горных пород приводит к тому, что тангенциальное усилие на резце в момент пересечения им открытой трещины резко изменяется.

Н аиболее значительные ударные нагрузки на резцы инструмента будут в случаях, при которых плоскость трещины или перпендикулярна направлению движения резца (рис. 5.43, а), или, если плоскость трещины наклонена по направлению движения резца (рис. 5.43, б). В случае, если плоскость трещины ориентирована в направ-лении перемещения резца, динамический характер работы резца будет несколько снижен (рис. 5.43, в), поскольку резец пересекает трещину по касательной.

С увеличением тре-щиноватости горных пород за счет снижения прочности забоя и увеличения количества ударов и энергии каждого удара начинает расти механическая скорость бурения, но одновременно с этим увеличивается и сила ударов по резцам, что может приводить к интенсивному износу алмазных коронок, сколам и выкрашиванию алмазных резцов.

Снижение динамической нагрузки на резцы буровых коронок следует осуществлять, прежде всего, за счет уменьшения частоты их вращения. Снижение частот вращения, особенно при алмазном бурении, следует определять исходя из допустимой энергии удара алмазов [ см. формулу (5.59)] при пересечении ими трещин с учетом количества или размеров самих трещин.