Основные принципы и закономерности разрушения горных пород при бурении

Процесс разрушения горных пород при бурении - разрушение горных пород на забое скважины или шпура вследствие механического или физикохимического воздействия на породу, производимого с целью формирования поля механических напряжений, достаточных для нарушения сплошности определенного объема (слоя) горного массива или преобразование породы в расплав, пар, раствор и удаление образовавшихся продуктов разрушения, растворения или плавления с забоя скважины на поверхность или в скважинное пространство.

Рациональное соотношение операций породоразрушающего воздействия на породу и удаления продуктов разрушения из забоя из-под торца бурового инструмента является важным аспектом, определяющим минимальную энергоемкость и, соответственно, эффективность бурового процесса.

Энергоемкость процесса разрушения горных пород на забое скважины - показатель эффективности процесса разрушения горных пород, определяемый как отношение затраченной на разрушение породы энергии к интервалу углубления (объему разрушенной породы) за определенный отрезок времени.

В данном случае важно подчеркнуть, что процесс разрушения породы при бурении - два взаимосвязанных явления: собственно нарушение целостности породы породоразрушающим действием и удаление, по возможности мгновенное, полученных продуктов разрушения из зоны работы породоразрушающих элементов инструмента. Эти два взаимосвязанных явления объединены в понятии буримость горных пород.

Количественно буримость можно оценить механической скоростью бурения.

С начала XXI в. способы механического разрушения горных пород по-прежнему обеспечивают основной объем буровых и горнопроходческих работ, именно поэтому в учебном пособии основное внимание уделено механическому разрушению горных пород под воздействием поля механических напряжений.

Следует отметить, что резервы механических способов бурения в настоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых сверхтвердых материалов, технологий их обработки, упрочнения металлов и сплавов, новых конструкций бурового инструмента, мощных и надежных забойных приводов, забойных машин ударного и ударно-вращательного действия, новых конструкций буровых станков непрерывно растет производительность бурения. В то же время получают развитие и новые перспективные способы бурения, основывающиеся на физико-химических воздействиях на горную породу, например, бурение плавлением пород и лазером.

Эффективность бурения определяется объемом разрушенной буровым инструментом породы в единицу времени. Объем разрушенной породы в единицу времени непосредственно связан с величиной мощности Ы, подводимой к забою. Объем породы, разрушаемый в единицу времени, можно определить из зависимости [5]:

N

У = -Г, (2.7)

^АУ

где N - мощность, подведенная к забою для разрушения горной породы в единицу времени, кВт-ч;

Ау— энергоемкость разрушения породы определенного объема, кВт/м³.

Объем разрушенной в единицу времени породы можно определить, используя значение скорости бурения:

У = у_мР, (2.8)

где у_м - механическая скорость бурения, м/ч;

/^г- площадь забоя скважины, м².

Из равенства формул для определения объема разрушенной горной породы (2.7) и (2.8) получим:

N

(2.9)

Из данного выражения следует общая и основная формулировка зависимости скорости бурения от основных факторов: скорость бурения пропорциональна количеству подведенной к забот мощности, обратно пропорциональна энергоемкости разрушения породы и площади забоя.

Таким образом, интенсификация процесса разрушения горной породы при бурении может осуществляться вследствие:

увеличения передаваемой горной породе энергии, что предполагает также необходимость снижения ее потерь при передаче от источника энергии до забоя скважины;

• - уменьшения энергоемкости процесса разрушения горной породы;
• - уменьшения площади забоя скважины.

В свою очередь увеличение передаваемой горной породе энергии может быть получено в результате:

- увеличения частоты вращения породоразрушающего инструмента;

увеличения осевой статической или ударной нагрузки на породоразрушающие резцы бурового инструмента;

передачи горной породе дополнительной тепловой энергии (термомеханическое бурение);

- передачи горной породе дополнительной гидродинамической энергии (гидромониторное бурение).

10

У_м, СМ / МИН

Рис. 2.1. Зависимость мощности разрушения породы от механической скорости бурения:

• 1 - при бурении шарошечными долотами диаметром 59 мм;
• 2 - диаметром 76 мм; 3 - удельные затраты мощности, равные N / у_м

Уменьшение энергоемкости

разрушения породы можно достичь за счет:

создания породоразрушающего инструмента, максимально соответствующего по своим характеристикам прочностным свойствам горных пород;

о

применения понизителей твердости горных пород (жидкости с поверхностно-активными веществами, наложением ультразвуковых колебаний и

др-);

- разработки оптимальных режимов бурения.

Реальное уменьшение потерь энергии при передаче от источника до породоразрушающего инструмента возможно вследствие перемещения привода вращения инструмента к забою скважины (применение забойных гидро- или электродвигателей, редукторов-мультипликаторов, повышающих частоту вращения инструмента при умеренной частоте вращения бурильной колонны).

Уменьшение площади забоя скважины происходит за счет непрерывного уменьшения диаметра породоразрушающих инструментов и площади их торца (применение, например, коронок с утонченной рабочей поверхностью короночного кольца).

Отношение — = N(1 в формуле (2.9) определяет значение удельной

1⁷

забойной мощности, подводимой к инструменту для разрушения породы, которая ограничена возможной прочностью породоразрушающего

инструмента.

Поэтому наиболее перспективным для достижения высокой скорости бурения является поиск условий, обеспечивающих минимальную

энергоемкость разрушения горной породы.

На рис. 2.1 показаны экспериментальные зависимости, полученные на основании результатов исследований, отражающие связь механической скорости бурения с мощностью, подводимой к забою. При определенном уровне подводимой мощности механическая скорость бурения начинает снижаться и возрастают удельные энергозатраты, т. е. режим разрушения породы становится неэффективным.

Известны зависимости влияния площади забоя на скорость бурения при ударном разрушении горных пород. Результаты исследований свидетельствуют о значительном увеличении показателей бурения с уменьшением диаметра скважины (табл. 2.5).

Обобщенный параметр режима работы породоразрушающего инструмента при вращательном бурении - реализуемая на забое мощность [5]:

N ₌ (2.10)

97,5 ^V '

где ц_к - коэффициент сопротивления породы вращению

породоразрушающего инструмента на забое;

Рос - осевая нагрузка на инструмент, Н;

К - радиус торца бурового инструмента, м;

со - частота вращения, с"¹.

Таблица 2.5

Показатели гидроударного бурения при различных диаметрах инструмента

С учетом преобразований формула для расчета механической скорости бурения (2.9) получит следующий вид:

• (2.11)
• - г-к- ос м
• 97,5Д ^ ’

Если частоту вращения выразить через линейную скорость перемещения резцов у,,:

V

(0 =

лО’

(2.12)

то формулу для расчета скорости бурения можно представить в виде

=

__ь?л_

• 2л97,5Д.^
• (2.13)

Соотношение

ос

с

= д определяет значение удельного контактного

давления на забой скважины. При этом, следуя начальным условиям, при расчете q?_i использовано значение всей площади забоя скважины без учета площади породоразрушающих элементов, которыми вооружен торец коронки или долота.

Рациональное и эффективное вооружение породоразрушающего инструмента значительно влияет на энергоемкость разрушения горной породы,

Р

определяет стойкость инструмента. Принимая соотношение — = ц за удельное

^Рп

контактное давление на породу со стороны бурового инструмента, при условии равномерного распространения напряжений в породе по всей площади забоя, выражение (2.13) представим в виде

V =-^-а

^м 2л97,5Д.

(2.14)

Рис. 2.2. Схема, отражающая значения линейной скорости для резцов коронки при бурении

Таким образом, условиями производительного бурения будут являться высокие значения удельного контактного давления на забой, линейные скорости перемещения резца при повышенном значении коэффициента сопротивления горной породы и минимальная энергоемкость разрушения. Линейные скорости перемещения резцов при современном бурении не превышают в основном 3-5 м/с, а их повышение затруднительно по техническим причинам.

Одна из проблем бурения, особенно сплошным забоем, связана с реализацией равной и достаточной скорости перемещения резца инструмента.

Из формулы (2.12) следует, что линейная скорость перемещения резца пропорциональна радиусу бурового инструмента, а значит, в центре торца она будет рана нулю (рис. 2.2).

При бурении кольцевым забоем эта проблема проявляется в меньшей степени, а для долот режуще-скалывающего действия проблема нулевой точки достаточно значительна и требует специальных конструктивных решений при

Рис. 2.3. Зависимость скорости бурения (у_м) и удельных энергозатрат на разрушение (§) от осевого усилия (удельного контактного давления на породу с{)

I - поверхностное разрушение;

II - усталостное разрушение;

III - объемное разрушение;

IV - чрезмерно высокая /><*, приводящая к разрушению вооружения бурового инструмента

создании буровых долот,

реализации состоит в повышения перемещения

позволяющих устранить влияние нулевой точки на процесс бурения. Вторая проблема оптимальной зависимости (2.14) том, что по мере

линейной скорости резца возрастает сопротивление горной породы резанию-скалыванию, а коэффициент сопротивления снижается вследствие уменьшения глубины внедрения

резца в породу, что может приводить к снижению скорости бурения.

Одним из важнейших

параметров, определяющих режим разрушения породы, является

величина удельного контактного давления на породу ц.

величины

давления

В зависимости от удельного контактного выделяют три режима разрушения породы:

• - поверхностное разрушение (истирание, шлифование);
• - усталостное разрушение;

/

интенсивность снижения прочности породы

- объемное разрушение.

На рис. 2.3 приведена зависимость

шва

механической скорости бурения от осевого усилия и выделены основные режимы разрушения породы.

о*

Предел усталости

N

Рис. 2.4. Усталостная кривая снижения прочности породы при циклическом на!ружении породы при прохождении резцов по забою: N - число циклов на!ружения породы при прохождении резцов инструмента

0.1

Режим поверхностного разрушения наблюдается при малом значении осевого усилия, при котором удельное контактное давление значительно меньше твердости горной породы с[ « р_ш. В этом случае происходит поверхностное истирание и шлифование породы, повышенный нагрев и износ бурового инструмента. Процесс бурения при таком режиме разрушения не может быть эффективным, что подтверждается высокими энергозатратами (кривая g на рис. 2.3).

Режим усталостного разрушения горных

пород возникает в том случае, если д < р_ш. При таком соотношении твердости и контактного напряжения разрушение горной породы происходит вследствие циклического нагружения, при котором достигается предел усталости горной породы [0.1]. Предел усталости любого материала ниже предела прочности в 20-30 раз и достигается при повторяющихся циклах нагружения породы, которые возникают при перемещении по забою резцов бурового инструмента.

Аналитически усталостную кривую можно выразить зависимостью, отражающей снижение предела прочности породы до напряжения, уровень которого достаточен для разрушения породы под влиянием внешних сил:

(2.15)

где А-число циклов нагружения;

т - степень усталостной кривой;

с„ - предел прочности горной породы, Па.

Из зависимости (2.15) следует, что прочность породы снижается при повышении числа циклов нагружения породы. В данном случае под циклом нагружения понимают повторяющееся деформирование породы в режиме «сжатие нагрузкой - восстановление прежнего размера при снятии нагрузки». Цикличность «нагрузка-разгрузка» реализуется при бурении из-за повторяющегося воздействия резцов бурового инструмента на определенный участок породы на забое (рис. 2.4). Повторяющиеся циклы «нагрузка-разгрузка» приводят к растрескиванию породы и ее ослаблению. В результате прочность породы снижается, приближаясь к значению предела усталости. Соответственно снижается и твердость породы в поверхностном, ослабленном

Л, мм

• 0,
• 0, о, о,

?00 300 500

со, частота вращения, мин'¹

трещинами слое до значения р I < д. В этом случае наступает разрушение породы в поверхностном слое после нескольких проходов резцов бурового инструмента.

Наиболее оптимален для разрушения горной породы режим объемного разрушения, при котором д > р_ш. В этом случае резцы инструмента внедряются в породу и производят ее разрушение за один цикл воздействия с образованием борозды или лунки разрушения, объем которых при бурении твердых пород может значительно превышать объем внедрения.

Рис. 2.5. Зависимость глубины борозды разрушения алмазным резцом /? от частоты вращения при на1рузках на алмаз, И:

1 - 140; 2-100; 3-56; 4-35

Дальнейшее повышение осевого усилия (зона IV на рис. 2.3) уже не приводит к значительному росту скорости бурения, поскольку наступает режим активного разрушения самого бурового инструмента.

Одним из основных положений механики разрушения горных пород при вращательном бурении является правило, в соответствии с которым определенной нагрузке на инструмент соответствует оптимальная скорость движения резца. В этом случае реализуются наибольшая глубина разрушения породы и минимальный износ самого инструмента, т. е. процесс разрушения горной породы осуществляется в самых оптимальных условиях.

Рис. 2.6. Зависимость крутящего момента от осевой нагрузки при бурении алмазной коронкой диаметром 59 мм с частотой вращения:

1 - 625 мин'¹; 2 - 1 500 мин'¹

В работе [5] проанализировано влияние частоты вращения инструмента на глубину борозды разрушения. В результате установлено, что при увеличении скорости перемещения резцов, даже при условии, что осевая нагрузка достаточна для эффективного разрушения породы, глубина борозды разрушения, образуемая алмазом, снижается (рис. 2.5).

Снижение глубины борозды разрушения при повышении частоты вращения инструмента приводит к снижению темпа роста механической скорости бурения. Многие авторы приводят данные о том, что рост частоты вращения инструмента в 6-7 раз приводит к повышению механической скорости бурения только в 3,1-3,Зраза при различных значениях нагрузки на коронку.

Для некоторых условий получено эмпирическое уравнение, отражающее связь механической скорости бурения у_м и частоты вращения со:

У»=а со

т

(2.16)

где а, т - коэффициенты.

С учетом определенных конструктивных параметров буровых коронок зависимость механической скорости бурения от частоты вращения представлена уравнением

_ыом_ко.п

=

[0.42

(2.17)

где К- концентрация алмазов в коронке, %;

А - размер алмазов, мкм.

Типичный характер изменения механической скорости от осевой нагрузки показан на рис. 2.6. В соответствии с известными экспериментальными данными такая зависимость может соответствовать следующей эмпирической формуле:

Г_м=^, (2.18)

где а, Ь - постоянные коэффициенты; е - основание натурального логарифма;

Р - нагрузка на инструмент, Н.

Крутящий момент М_кр (Н-м) в общем виде можно определить так:

М_ф=- = />_осМ,

• (2.19)
• (О

где /V- мощность, затрачиваемая на разрушение породы, кВт; со - частота вращения инструмента, с"¹;

Р_ос - осевая нагрузка, Н;

р_к - коэффициент сопротивления породы вращению инструмента;

К - средний радиус торца бурового инструмента, м.

Крутящий момент линейно возрастает при увеличении осевой нагрузки на инструмент (рис. 2.7). При увеличении частоты вращения крутящий момент несколько снижается, что связано с уменьшением углубления резцов в породу (рис. 2.8).

Углубление за оборот,

Рис. 2.7. Зависимость крутящего момента от углубки инструмента за один оборот в различных горных породах: 1 - известняк;

• 2 - кварцит; 3 - гранит
• 0,3
• 0,2

• 0 1000 2000 со, мин"
• 1 _I_I_I
• 0 3 6 V, м/с

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента сопротивления |Л_К от частоты вращения со и линейной скорости перемещения резца у:

1 -Р_ос= 12 кН; 2 - Рос = 6 кН

ОД

Зависимость коэффициента ц_к от частоты вращения и осевого усилия дана на рис. 2.8. Зависимость крутящего момента от углубления за один оборот инструмента на забое показывает линейный рост М_кр вследствие роста сил сопротивления (рис. 2.9).

В формулах (2.16)—(2.18) показана связь затрат мощности на разрушение породы на забое и механической скорости бурения с коэффициентом сопротивления породы вращению бурового инструмента ц_к, который учитывает механическую и молекулярную составляющие сил трения, а также индивидуальные особенности и свойства горных пород, вызывающих упругие и пластические реакции на продвижение резцов по разрушаемой породе.

Учитывая полученные выражения, а также зависимости крутящего момента от частоты вращения, осевого усилия и углубления инструмента за один оборот вращения (рис. 2.9 и 2.10), можно установить между всеми этими параметрами закономерную связь в зависимости от глубины внедрения резцов в породу при бурении:

- повышение осевого усилия приводит к повышению глубины внедрения резцов в породу и в результате к возрастанию сопротивления вращению инструмента на забое и крутящего момента;

Цк

0,4 0,32 0,24 0,16 0,08

• 0 0,04 0,08 0,12
• 1 -1-1-1-

О 0,4 0,8 1,2 1,6

у_об, мм/оборот

Рис. 2.9. Зависимость коэффициента сопротивления р_к от углубления за один оборот (у₀б) при бурении:

• 1 - импрегнированными алмазными коронками;
• 2 - твердосплавными коронками при ударно-вращательном бурении (по нижней шкале Уоб);
• 3 - однослойными коронками;
• 4 - то же в режиме вращательноударного бурения (по нижней шкале

^об)

у_м, м/ч; /V, кВт

Рис. 2.10. Зависимость забойной мощности N и механической скорости бурения у_м от подачи промывочной жидкости на забой при алмазном бурении

- повышение частоты вращения вызывает снижение глубины внедрения резцов в породу, что приводит к некоторому снижению сопротивления вращения инструмента на забое и крутящего момента.

В результате исследований установлено наличие четкой зависимости механической скорости, углубления за оборот инструмента на забое и забойной мощности от подачи промывочной жидкости.

В большинстве случаев отмечается [2,4], что оптимальное количество промывочной жидкости, подаваемой в скважину, соответствует максимальным значениям механической скорости и углубления за один оборот и минимуму удельных энергозатрат.

При этом выявленный оптимум может смещаться в большую или меньшую сторону по количеству подаваемой к забою жидкости в зависимости от значении параметров режима бурения. В данном случае справедлива зависимость, из которой следует, что при равных значениях углубления в породу за оборот наибольшая подача промывочной жидкости соответствует более высокой частоте вращения.

Таким образом, повышение механической скорости бурения и забойной мощности связано с оптимальными условиями очистки забоя.

Дальнейшее повышение подачи промывочной жидкости приводит к проявлению эффекта гидроподпора и некоторому «зависанию» бурового инструмента, что снижает внедрение резцов в породу и соответственно, понижаются механическая скорость бурения и затраты мощности на разрушение горной породы (см.

рис. 2.10).