Комбинированное механическое разрушение горных пород Вращательно-ударный способ бурения

Данный комбинированный способ бурения эффективен в твердых горных породах У-ХП категорий по буримости. При бурении реализуется разрушение породы за счет действия осевой силы и усилия резания. Ударное воздействие на породу с высокой частотой, но малой энергей дополняет породоразрушающее воздействие. Для бурения используют алмазный однослойный буровой инструмент, шарошечные долота и высокочастотные гидроударники.

Анализ условий работы алмазных резцов показывает, что стойкость алмазов при вращении обусловлена, прежде всего, изгибающими напряжениями, а не напряжениями на раздавливание. Основное усилие резания-скалывания (60-80 %) расходуется на преодоление силы трения резцов о породу и лишь меньшая его доля собственно на разрушение породы.

Рассмотрим полученные ранее зависимости (2.21) и (2.28) определения тангенциального усилия для твердосплавного и алмазного резцов:

а_ск/2/П + tgф>_]

К =

°ск + ^ос/ •

• 7г(/? + О^бл/^л)² П_]
• 8тУск 21_ёу_ск

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, характерными 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

I I

Рис. 2.36. Схемы для анализа процесса разрушения породы алмазным резцом при изменении усилия Е, в процессе вращательного бурения (а, б) и при приложении

ударного импульса АР (в)

горная порода не

успевают развиваться и тангенциальная составляющая 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, способствует скалыванию и отделению кусочков породы от забоя.

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

На рис. 2.36 приведены схемы, которые даны в развитие ранее представленных на рис. 2.25 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.

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, 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, 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. 2.37 представлены результаты исследований влияния ударных импульсов на показатели бурения алмазными коронками диаметром 59 мм. 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 смещаются 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.

0 10 20 30 А, Дж 0 10 20 30Л,Дж

а 6

Рис. 2.37. Зависимости показателей бурения алмазной коронкой 01 АЗ от энергии удара А: а- механической скорости ; 6 - проходки на коронку по породам: 1 -кварцит; 2 - гранит; 3 - лабрадорит; 4 - песчаник

Рациональной для алмазных коронок диаметром 59 мм оказалась энергия удара 15 Дж, для коронок диаметром 76 мм -20 Дж. 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’ ', 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 30^10 %, углубление 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.

Разрушение горных пород шарошечными долотами в режиме вращательно-ударного бурения

Интенсификация процесса разрушения горных пород наложением ударных импульсов возможна и при бурении шарошечными долотами. Особенно оправдано применение ударных забойных машин при бурении достаточно твердых горных пород, для разрушения которых требуется значительная осевая нагрузка на долота.

Опыт применения (по данным А.Т. Киселева и В.Г. Кардыша) гидроударных забойных машин показал, что вследствие роста удельных контактных напряжений в породе, при бурении горных пород УН-ХН категорий по буримости при осевой нагрузке 15-20 кН и частоте вращения 280-430 мин'¹, средний ресурс двухшарошечных долот диаметром 76 мм возрос, вследствие применении высокочастотных гидроударников с 11 до 19 м, а скорость бурения увеличилась с 3,4 м/ч до 4,8 м/ч.

При этом достигнут более значительный рост показателей при бурении трехшарошечными долотами в сравнении с двухшарошечными, что подтверждает вывод о влиянии на эффективность разрушения породы прежде всего контактного напряжения, которое существенно возрастает при наложении ударного импульса. У трехшарошечных долот, как известно, площадь контакта вставок с породой забоя несколько выше, чем у двухшарошечных, а значит, роль дополнительной ударной нагрузки оказалась более значительной.

Применение гидроударников при бурении шарошечными долотами позволяет бурить на пониженных осевых нагрузках, но с более высокой механической скоростью, что в результате и сказывается на ресурсе долот.

При бурении шарошечными долотами в режиме вращательно-ударного бурения отмечено, что с повышением частоты вращения бурового инструмента эффективность разрушения породы снижается. То есть остается справедливой закономерность, отмеченная ранее для вращательно-ударного бурения алмазным инструментом.

В зависимости от диаметра долот рекомендуются для использования гидроударники с различной энергией удара: для бурения долотами диаметром 59 мм подходят высокочастные ударные машины с энергией удара 15 Дж, для долот диаметром 76 мм - гидроударники со средней частотой удара и энергией удара 60-80 Дж, а при бурении долотами диаметром 93 мм целесообразно использование гидроударников с высокой энергией и малой частотой ударного импульса.

Таким образом, для бурения долотами больших размеров более подходит ударно-вращательный способ бурения, при котором преобладает ударное разрушение горной породы над режимом вращательного бурения.

Разрушение горных пород в режиме ударно-вращательного способа

бурения

В процессе ударно-вращательного способа бурения реализуется разрушение горной породы за счет удара высокого уровня энергии, а вращение инструмента носит вспомогательный характер, определяя схему поражения забоя породоразрушающими вставками долота или коронки. Для бурения используются гидро-, пневмоударники и буровой инструмент с резцами в основном клиновидной и шарообразной формы. Данный способ бурения применяется при бурении скважин погружными пневмоударниками и при бурении шпуров в твердых горных породах перфоратораторами.

Ударно-вращательный способ харак-теризуется высокими значениями энергии удара (не менее 40 Дж), малыми значениями частоты вращения бурового инструмента (10-60 мин'¹) и осевой нагрузки (300-600 даН на инструмент диаметром 59-105 мм). Вращение инструмента в сочетании с частотой ударов обеспечивают определенную схему поражения забоя (расстояние между ударами вставок о породу), которая может быть эффективной только при определенном соотношении частот удара и вращения.

Привод вращения бурового инструмента при реализации ударно-вращательного бурения может быть:

- от бурового станка, т.е. за счет вращения всей бурильной колонны;

м

. ^а

' ? • •сщ/^• -**"-*’"Х; і/ш • -• •'-? '»Х⁴*•*?

^,%у»^г Г*^-'

'V V»

т

- от поворотного механизма, обеспечивающего поворот долота во взаимодействии с циклом ударных нагрузок;

чуй- '*У/'

т

- возможно вращение колонны забойным гидродвигателем.

^ч'» А» Л» А /* /«% /*»? %•' «X» ч»у •%«

»• •» »» у 'У

Рис. 2.38. Схемы нанесения ударов в плоскости забоя (М = 16 мм): а - лунки нс взаимодействуют друг с другом; б - повторные удары наносятся между лунками; в - удары но нарушенному забою

Осевая нагрузка при этом способе бурения носит вспомогательный характер и должна обеспечивать не внедрение резцов инструмента в породу, как это происходит при вращательном способе бурения, а постоянный контакт долота или коронки с забоем.

Очевидно, что при ударно-вращательном бурении значительный недостаток осевого усилия приведет к отскакиваниям долота от забоя, при котором эффект передачи ударного импульса будет снижен.

Чрезмерная осевая нагрузка приводит к тому, что породоразрушающие вставки будут находиться в постоянно заглубленном в породу положении, а это не позволит реализовать задаваемую вращением инструмента эффективную схему поражения забоя между ударами. В то же время высокая осевая нагрузка и задавливание резцов в породу при наложении мощного ударного импульса приводят к разрушению породо-разрушающих вставок.

При ударно-вращательном бурении крайне важна схема поражения забоя породоразрушающими вставками бурового инструмента. При рассмотрении трех схем поражения забоя (рис. 2.38, а, б, в) установлено, что минимальная энерго-емкость разрушения достигается при реализации второй схемы поражения забоя острым индентором.

Обязательным условием осуществления рациональной схемы нанесения ударов является смещение (отставание) ударов от предыдущих на определенное расстояние. Это, прежде всего, связано с тем, что вследствие вращения инструмента удар по забою наносится не под прямым углом, а с некоторым

Направление удара

• 0.6-0.75М
• ?-?

—'?— V -_Ч

отклонением (косой удар). Именно поэтому для рационального использования энергии удара необходимо обеспечивать некоторое смещение центра удара, а расстояние К от следа первого удара может составлять 0,6-0,75 М (рис. 2.38).

м

Рис. 2.38. Схема поражения забоя при ударно-вращательном бурении

Исходя из представленной схемы оптимальная частота вращения бурового инструмента при заданной частоте ударов по забою «_уд определится из зависимости

со

опт

п_улм

тгц, - кг ’

(2.38)

где М — расстояние между соседними лунками разрушения породы на забое, м; Д, - диаметр бурового инструмента, м; г - число радиальных лезвий на торце бурового инструмента;

К - расстояние, равное (0,6-0,75) М, м.

За один удар забой скважины углубится на расстояние /г_ср, которое можно определить из зависимости

К

(2.39)

заб

где Д - объем лунки разрушения, м³;

Д_аб - площадь забоя скважины, м².

Учитывая, что механическая скорость бурения определится из зависимости

Д. ⁼ ^ср^пт» можно записать

кг

^Ум = ^Юопт

заб

(2.40)

Энергию удара, достаточную для разрушения проды представим в виде следующего соотношения:

где с] - удельная энергоемкость разрушения породы, Дж/м³.

Определяя объем лунки разрушения из соотношения геометрических параметров породоразрушающей вставки, например, в виде притупленного клина можно получить зависимость для расчета энергии удара для образования лунки разрушения определенного объема:

А-а'ЩаЬд, (2.41)

где а - ширина площадки притупления вставки, м; а - угол наклона борта лунки разрушения, град;

Ь - длина лезвия вставки, м.

Используя полученные зависимости, можно записать

А1Мп

V =-25-. (2.42)

Таким образом, механическая скорость бурения пропорциональна энергии и частоте ударов по забою, числу породоразрушающих вставок на торце инструмента, но обратно пропорциональна энергоемкости разрушения и площади забоя скважины. Из формулы (2.42) следует, что если повышать количество породоразрушающих лезвий на торце при минимальной длине каждого из них, то это позволит снизить затраты энергии на образование лунки разрушения и повысит скорость бурения. В данном случае речь может идти о применении полусферических породоразрушающих вставок определенного радиуса сферы.

На рис. 2.39 дана зависимость механической скорости бурения (при пневмоударном бурении долотами, вооруженными лезвиями с радиальным расположением) от частоты вращения. Из графиков следует, что в диапазоне частот вращения 0-100 мин"¹ отмечается 2-3 экстремальных значения. Представленные графики подтверждают наличие рациональной схемы поражения забоя, которая определяется частотой вращения инструмента. Минимальная скорость бурения (точки 2, 2¹) получена при совпадении лунок разрушения с повторным нанесением ударов. Максимальная скорость бурения (точки 1, I¹, 3, З¹) получена при нанесении ударов по выступам, расположенным между лунками разрушения.

0 20 40 60 со, мин

Рис. 2.39. Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения:

I - известняк VII категории по буримости; II - кварцит X категории по буримости

Если породоразрушающие вставки располагаются на торце инструмента не по радиальной схеме, зависимость механической скорости бурения от частоты вращения будет иной, отличной от представленной на рис. 2.39. Поперечное расположение лезвий на торце, а также применение сферических породоразрушающих вставок приводит к тому, что зависимость механической скорости бурения от частоты вращения инструмента получила форму параболы с одним максимумом (рис. 2.40).

При этом характерно, что для менее твердых пород максимум частоты

Рис. 2.40. Зависимость скорости бурения от частоты вращения снаряда в породах различной категории по буримости долотами с поперечнорадиальным расположением вставок на торце

у_м, см/мин

Рис. 2.41. Зависимость скорости бурения от длины

V/

рейса при частоте вращения снаряда 40 мин'¹ и различных осевых нагрузках: 1, 2, 3, 4 -осевая нагрузка 5, 10, 15 и 20 кН соответственно

вращения, при которой достигнута наиболее высокая механическая скорость бурения, смещен в сторону больших значений (~ 50 мин'¹), а при бурении твердых и крепких пород максимальная скорость бурения получена при малых значениях частоты вращения (~ 30 мин'¹). На рис. 2.40 эта закономерность отмечена восходящей стрелкой через вершины максимальных значений графиков скорости бурения.

Зависимость скорости ударно-вращательного бурения от осевой нагрузки определяется тем, что с увеличением осевой нагрузки в начале рейса механическая скорость бурения возрастает, но в течение рейса снижается и тем интенсивнее, чем выше осевая нагрузка (рис. 2.41). Эти данные показывают, что чрезмерные осевые нагрузки при ударно-вращательном бурении приводят к более интенсивному разрушению породоразрушающих вставок.

Зависимость скорости бурения от давления сжатого воздуха показывает практически прямопропорциональный рост скорости бурения при повышении давления (рис. 2.42 и 2.43).

При этом повышение давления сжатого воздуха, например, при бурении бесклапанными пневмоударниками высокого давления фирмы Atlas Copco

Рис. 2.42. Зависимость механической скорости бурения от давления воздуха в различных породах: 1 - VIII; 2 - IX; 3 - X; 4 - IX; 5 - X категорий по буримости

Рис. 2.43. Зависимость механической скорости бурения пневмоударниками высокого давления типа СОР в известняке (2) и граните (1)

типа СОР до значений 2-2,5 МПа, приводит к значительному росту механической скорости, предельные значения которых не установлены.

При этом более высокая скорость бурения достигается в более твердых гранитах, в сравнении с существенно менее твердым известняком (рис. 2.43).

Пневмоударники типа СОР 32, СОР 42, СОР 52, СОР 62 предназначены для бурения скважин диаметром 85-165 мм, в том числе по технологиям 00, ООЕХ и ОЕРБ.

Забойные ударные машины СОР 32 работают при давлении воздуха 0,6-1,2 МПа с частотой 1300-1650 ударов в минуту и предназначены для бурения скважин диаметром 85-100 мм. Пневмоударники СОР 42 работают при давлении 0,6-2,5 МПа с частотой 1300-2100 уд/мин и предназначены для бурения скважин диаметром 105-125 мм.

В настоящее время ударно-вращательное бурение пневмоударниками высокого давления является наиболее производительным из всех существующих механических способов бурения. Этот способ бурения становится все более популярным при выполнении геологоразведочных работ, что объясняется его более низкой стоимостью. В то же время шламовая проба не может по качеству быть сопоставима с керном, но в настоящее время техника бурения и техническое оснащение методов оценки пробы достаточно усовершенствованы и соответствуют требованиям геологической службы.

На сегодняшний день в таких станах, как США, ЮАР, Австралия, в силу сложившихся тенденций, значительная часть скважин бурится с опробованием, которое основывается на комбинированном варианте: до рудной зоны бурение ведется с обратной циркуляцией очистного агента с отбором шламовой пробы, а по рудной зоне производится отбор керна. Таким образом, бурение в режиме ударно-вращательного бурения получает все большее распространение при проведении геологоразведочных работ, появляются новые мощные забойные машины и инструменты, совершенствуется технология бурения и методика опробования по шламу.

С повышением глубины скважины вследствие повышения сопротивлений и снижения давления воздуха скорость бурения снижается. Например, при повышении глубины скважины от 100 до 200 метров скорость бурения снизилась на 35 %. Поэтому с глубиной снижается производительность бурения пневмоударниками, наблюдается намокание шлама и образование сальников, осложнены условия опробования вследствие влияния подземных вод.

При этом важно подчеркнуть, что эффективность пневмоударного бурения в слабообводненных породах снижается, если используется низкое давление воздуха в пределах 0,3-0,5 МПа. При бурении пневмоударниками высокого давления подобные проблемы могут возникнуть только при значительной (более 500 м) глубине скважин в связи со снижением давления подаваемого воздуха вследствие роста аэродинамических сопротивлений с глубиной скважины, что ведет к ухудшению выноса шлама, образованию сальников и осложнениям при подъеме инструмента.

Одним из средств борьбы с осложнениями в этих условиях является применение воздуха с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В то же время известно, что при применении смеси воздуха и ПАВ наблюдается снижение механической скорости бурения из-за падения ударной мощности забойной машины. Например, при расходе ПАВ в пределах 5-6 л/мин с изменением концентрации в растворе от 0,5 до 4 % скорость бурения понижается незначительно (в пределах 10 %), а при повышении концентрации ПАВ до 5% и более ведет к снижению механической скорости на 25-35 %.

Других особенностей бурения с ПАВ, которые бы могли повлиять на выбор параметров режима бурения, практикой бурения не отмечено.