5.3.5. Влияние величины выпуска алмазов из матрицы

на эффективность разрушения горных пород

Выпуск алмазов из матрицы является одним из важнейших конструктивных параметров алмазного бурового инструмента, который определяет как механическую скорость бурения, так и ресурс инструмента.

По данным специалистов ВИТР, выпуск алмазов у импрегнированного инструмента должен быть 10%, а у однослойных – 25% диаметра объемных алмазов.

Буровой шлам из-под торца коронки должен удаляться потоком очистного агента. Перед удалением в затрубное пространство частицы породы с места отделения на забое по концентрическим траекториям под торцом коронки достигают промывочного канала, из которого выносятся потоком очистного агента (рис. 5.44). Из-под торца коронки, как показывают результаты исследований, выносится только часть шлама, а оставшийся шлам увлекается коронкой и перемещается в направлении её движения. В результате под торцом коронки всегда присутствует какое-то количество шлама, снижающее механическую скорость бурения.

С нижение механической скорости бурения связано с тем, что передаваемая на алмазную коронку осевая нагрузка Р_ос в процессе бурения распределяется между алмазными зернами Р и породой Р_п через матрицу и шлам (рис. 5.44). В результате шлам играет существенную роль при разрушении породы, ограничивая проникновение алмазов в породу. Таким образом, глубина внедрения алмаза в породу h, рассчитанная, например, по формуле (5.42) будет меньше на некоторую величину ζ, которая определяется высотой шламовой подушки H_ш и зазором между матрицей коронки и забоем H_м : ζ=(H_ш – H_м).

Внедрение в породу с учетом наличия шлама под коронкой, будет определяться зависимостью:

h_ш = h – (H_ш – H_м).

Таким образом, если высота спрессованной шламовой подушки превышает межконтактный зазор, внедрение алмазов в породу, а значит, глубина борозды разрушения и механическая скорость бурения будут снижаться.

При этом высота спрессованного шлама может превышать межконтактный зазор только в определенных точках под торцом инструмента, формируясь локально. Очевидно, что двух, трех локальных точек спрессованного шлама будет достаточно для ограничения скорости разрушения горной породы. Исследования, выполненные с применением скоростной киносъемки, показали, что шлам спрессовывается под сбегающей частью сектора матрицы коронки, а количество шлама под секторами увеличивается с ростом осевой нагрузки на инструмент [7].

Данные, приведенные в работе [14], подтверждают сделанный вывод: снижение выпуска алмазов из матрицы приводит к уменьшению глубины борозды разрушения. Так, при бурении мрамора снижение выпуска алмаза в 3,6 раза привело к снижению борозды разрушения в 1,7 раза, а при бурении известняка в 2 раза.

Наличие шлама влияет также на износ алмазов и матрицы. Исследования показали [14], что обнажение алмазов по торцу происходит неравномерно. Большее обнажение и больший износ наблюдаются с набегающей стороны сектора под влиянием абразивного воздействия бурового шлама. Со стороны сбегающей части сектора износ матрицы меньше. Это, вероятно, объясняется именно тем, что эта часть сектора матрицы опирается при бурении преимущественно на шлам, не совершая активной работы по разрушению горной породы, а также тем, что шлам, проходя под торцом коронки, измельчается и не производит активного изнашивания матрицы.

Исследования показали, что различные по форме и крупности алмазы в процессе бурения и изнашивания матрицы имеют различный выпуск из матрицы, даже если располагаются рядом, а износ алмазов на различных секторах также отличается [14].

Объяснение таким результатам работы коронки можно найти в том, что различные по размеру и форме алмазы будут иметь различную глубину внедрения в породу и механизм разрушения, что скажется на крупности шлама и величине межконтактного зазора. Различный износ секторов коронки может быть вызван также работой коронки с перекосом, который, как ранее уже было отмечено, всегда имеет место при бурении вследствие прогиба буровой компоновки.

В работе [14] приведены результаты исследований влияния выпуска алмазов из матрицы на механическую скорость бурения (рис. 5.45).

Графики на рис. 5.45 ука-зывают на скачкообразность изменения механической скорости бурения в зависимости от выпуска алмазов. При выпуске алмазов 0-0,05 мм зазор между секторами коронки и забоем заполняется шламом, количество которого незначительно, но, тем не менее, этот шлам сдерживает внедрение алмазных резцов в породу. По мере увеличения выпуска алмазов условия очистки улучшаются, резцы активнее внедряются в породу и, соответственно, наблюдается рост механической скорости бурения.

При достижении выпуска алмазов 0,05 мм количество шлама становится более значительным, увеличиваются размеры частиц породы. Этот признак указывает на изменение режима разрушения породы от усталостно-поверхностного к объемному. Имеющийся межконтактный зазор не обеспечивает эффективной очистки забоя от шлама. Этот период длится достаточно долго и при выпуске более крупных алмазов (кривая 1) 0,15-0,175 мм (диаметр алмазов ~1,6 мм), а менее крупных алмазов (кривая 2) 0,125 мм (диаметр алмазов ~1,1 мм) наблюдается второй скачок механической скорости. Этот скачок обусловлен достижением оптимальных условий очистки забоя от шлама и, очевидно, соответствует наиболее эффективным условиям разрушения породы алмазами соответствующих размеров, т.к. дальнейшее повышение выпуска алмазов не приводит к росту механической скорости бурения.

Опытное бурение по оценке влияния выпуска алмазов на механическую скорость бурения и расход алмазов показало [14], что оптимальным условиям бурения горных пород IХ-X категории по буримости алмазными коронками с алмазами зернистостью 20-30 шт./карат соответствует выпуск алмазов 0,3-0,33 мм (~18-20% диаметра алмазного резца).

И сследование механизма образования шлама при разрушении горной породы алмазными резцами показало, что определенное значение имеет не только выпуск алмаза из матрицы, но и ширина передней кромки алмаза [14]. Скалывание породы передней гранью резца приводит к образованию частиц, которые перемещаются после скалывания по передней грани резца по ходу его движения (рис. 5.46). Если размер частиц шлама соизмерим с зазором между матрицей коронки и породой, происходит зажим и постоянное нагнетание шлама в зазор перед резцом. Судя по лункам износа матрицы, объем скапливающего перед алмазом шлама находится в прямой зависимости от ширины передней грани резца. Таким образом, важно не только задавать определенный зазор между матрицей и забоем за счет выпуска алмазов из матрицы, но и учитывать, что для создания более эффективного инструмента следует устанавливать алмазы, ориентируя их острыми гранями в направлении приложения разрушающих усилий.

Из приведенных данных следует, что при изнашивании алмазных резцов и увеличении ширины их передней грани условия бурения и удаления шлама из под торца коронки ухудшаются.

Исходя из условий образования и выноса шлама из под торца коронок, в работе [3] приведена зависимость для определения возможной максимальной механической скорости бурения алмазной коронкой:

, (5.60)

где ω – частота вращения инструмента;

H_м – межконтактный зазор между матрицей коронки и забоем;

А_с, А_з – площади торца коронки и забоя скважины соответственно.

Из данной формулы следует пропорциональная зависимость скорости бурения от величины межконтактного зазора.

Д ля эффективной работы алмазной коро-нки необходимо, чтобы углубка за оборот была оптимальной по отно-шению к выпуску алмазов. Если выпуск алмазов незначительный и нет условий для быстрого выноса шлама, то частицы разрушен-ной породы подвер-гаются переизмель-чению, а алмазы повы-шенному износу.

У коронок с заданным увеличенным выпуском алмазов свободное пространство между матрицей и забоем для размещения разрушенной породы увеличится, и появляются лучшие условия для ускоренного выноса продуктов разрушения с забоя и внедрения алмазов в породу.

В работе [6] приведены данные о сравнительных испытаниях буровых коронок с заданным выпуском алмазов (заточенные коронки, выпуск алмазов 23% диаметра резцов) и аналогичных, но незаточенных коронок (рис. 5.47, а, б).

Как следует из полученных данных, при бурении заточенными алмазными коронками достигнуты более высокая углубка за оборот и существенно меньший износ матрицы по высоте. При этом при повышении расхода промывочной жидкости износ матрицы снижается, углубка за оборот увеличивается до определенных пределов, а затем снижается (рис. 5.47, а).

Более интенсивно углубка за оборот увеличивается при бурении заточенными коронками. Снижение углубки за оборот, при повышении расхода промывочной жидкости, связано с проявлением силы гидроподпора бурового инструмента.

Оптимальные значения количества подаваемой жидкости и осевого усилия будут выше, при прочих равных условиях, при бурении заточенными коронками.

В работе [6] рекомендованы зависимости для расчета оптимальных значений количества подаваемой промывочной жидкости Q_з и осевой нагрузки Р_з при бурении заточенными алмазными коронками в сравнении со значениями количества жидкости Q_н и осевой нагрузкой Р_н, применяемых при бурении незаточенными коронками:

,

где h_обз, h_обн – углубка за оборот заточенными и не заточенными коронками соответственно.

Оптимальная углубка за оборот, по данным эксперимента, составляет

~ 0,5 от величины выпуска алмазов из матрицы.