О МЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ
ПОРОД АЛМАЗНЫМИ КОРОНКАМИ
Поветкин
В.В.,
Мендебаев Т.М., Асан А.Е.
(КазНТУ им.К.И.
Сатпаева, институт промышленной инженерии им.А.Буркитбаева)
e-mail:vv1940_povetkin@mail.ru
Исследованиям механизма
разрушения горных пород при алмазном бурении посвящены работы известных ученых
Б.И.Воздвиженского, В.П. Онищин, В.С.Владиславлева, С.С.Сулашкина,
Д.Н.Башкатова, А.Т. Киселева, Л.К.Горшкова, Н.В.Соловьева, В.В.Царицына, Г.А.
Блинова и других авторов [1...5].
Анализ работ авторов
показывает, что одни исследователи выдвигают гипотезы, касающиеся самой природы
явления разрушения (состояние горной породы и переход ее из одного состояния в
другое в процессе разрушения); другие рассматривают внешние признаки процесса
(глубина борозды, ее форма ); третьи - кинематику движения индентора. Есть
группа исследователей, которые своими работами доказывают единство некоторых
подходов к процессу, и их концепции являются по сути синтезом имеющихся о нем
представлений [6].
Г.А.Блинов анализируя
работы по изучению взаимодействия пары «породоразрущающий инструмент - порода»,
выделяет два направления, которые лежат в основе проведенных исследований.
Первое направление - это работы, выводы которых базируются на исследованиях
взаимодействия единичных инденторов с образцами горной породы; второе
направление - работы, в которых исследуется общее взаимодействие групп
инденторов, объединенных в жестком теле - коронке - с горной породой.
Первое направление исследований охватывает многочисленные работы. Из всего
многообразия которых проанализируем наиболее характерные взгляды на особенности
процесса разрушения породы под действием единичного индентора.
1.
При статическом и динамическом
воздействии алмаза на породу выделяются три стадии изменения состояния
последней: поверхностная стадия изменения; с образованием уплотненного ядра
мелкодиспергированного материала и объемная стадия изменения с выколом породы
по бокам и впереди алмаза; в зависимости от условий контактирования алмаза с
породой могут проявляться все три стадии, либо две из них.
2.
При движении алмаза по породе
под его лобовой частью действуют сжимающие напряжения, сзади - растягивающие.
3.
Торец алмазной коронки и забой
скважины представляют собой шероховатую поверхность с линейной разновысотностью
выступов (впадин).
4.
Механизм разрушения горных
пород твердыми инденторами не зависит от типа резца и способа его применения и
носит общий характер, который выражается в том, что при взаимодействии пары
«породоразрушающий инструмент - горная порода» образуется зона разрушения и под
ней зона предразрушения, т.е. качественно процессы носят один и тот же
характер.
Второе направление исследований механизма разрушения горных пород
группой инденторов (алмазных зерен), закрепленных в жестком теле (матрице
коронок) является наиболее перспективным, но менее изученным.
Анализ механизма
изнашивания, выполненный с учётом современных представлений о характере контактирования
буровых коронок с горной породой показал, что износ матрицы - очень сложный
процесс, на который влияет ряд факторов, имеющих множественную
взаимозависимость. Основными из них являются конструктивные особенности и
прочностные характеристики матрицы, параметры режима бурения, абразивность,
гранулометрический состав и концентрация шлама горной породы в призабойной зоне.
Наряду с относительной
концентрацией важным параметром, характеризующим рабочее состояние торца
буровой коронки, является высота выступания алмазов, обеспечивающая эффективное
внедрение их в горную породу и быстрое удаление с призабойной зоны разрушенных
частиц.
Несмотря на различие
степени обнажения отдельных зерен, среднее значение их выступания из матрицы
определяется качеством используемого сырья, конструктивными особенностями
коронки, параметрами режима бурения и физико-механическими свойствами горной
породы.
В работе [7] отмечено,
что чем выше категория буримости горной породы, тем меньше должна быть величина
выступа алмазов. При бурении пород средней твердости, крупнозернистых,
слабосцементированных выпуск алмазов может быть максимальным - до 30 % линейного размера; твердых пород VШ-Х категории по буримости - до 20 % линейного
размера; более твердых пород - 5...
10 % линейного размера.
Значительная часть
бурового раствора проходит через промывочные окна, которые прорезаны в теле
короночной матрицы и разделяют ее на отдельные секторы. От их числа, величины
сечения и формы в основном зависит очистка забоя. Оптимальная величина
суммарного сечения всех промывочных окон в коронке различна для пород с разными
физико-механическими свойствами и для коронок разных конструкций. Например, в
коронках, которые предназначены для бурения мягких пород, дающих при разрушении
много липкого шлама, сечение промывочных окон делается как можно большим. В
коронке, предназначенной для бурения твердых пород, излишне большие сечения
промывочных окон ухудшают ее работу, так как при этом уменьшается перепад
давления бурового раствора во внутренней части коронки по отношению к внешней
ее части, что влечет ухудшение выноса шлама непосредственно из-под торца
матрицы.
Число и форма
промывочных окон, даже при одном и том же их общем сечении, заметно влияют на
работоспособность коронки. "Косые” промывочные окна имеют меньшее
гидравлическое сопротивление для бурового раствора по сравнению с
"прямыми", т.е прорезанными по радиусам, окнами. Преимущество
"косых"' промывочных окон заключается в том, что при такой их форме
уменьшаются завихрения в потоке проходящего через них бурового раствора,
вследствие чего заметно снижается аномальный износ в передней части секторов
матрицы, который имеет место при бурении сильноабразивных пород.
Другим важным элементом
промывочной системы коронки является совокупность каналов, образующихся при
соприкосновением алмазов коронки с забоем скважины. При этом главное значение
имеет величина выступания алмазов из тела матрицы. Наиболее эффективной будет
очистка забоя при использовании коронок, у которых алмазы выступают из матрицы
настолько, что при бурении обеспечивается свободный проход шлама между матрицей
и забоем, несмотря на внедрение алмазов в породу, В ; импрегнированных и многослойных коронках это условие
обеспечивается за счет обнажения алмазов в результате преимущественного износа
материала матрицы.
Третьей основной частью
промывочной системы коронки является зазор между стенкой скважины и наружной
поверхностью корпуса коронки, а также зазор между керном и внутренней
поверхностью корпуса.
Большинство
исследователей подчеркивают, что при увеличении частоты вращения механическая
скорость возрастает по линейной зависимости до определенного момента, а затем
темпы ее роста начинают снижаться. При этом отмечают, что в отдельных случаях,
определяемых загрязнением забоя шламом, заполированием алмазов или влиянием так
называемого "фактора времени", при увеличении частоты вращения
наблюдается падение механической скорости.
Зависимости 
и 
показывают,
что возрастание механической скорости возможно за счет увеличения Рос
и п. Немаловажное значение имеет и
тот факт, что одновременное форсирование Рос и п не дает той скорости углубления, которую предполагалось
получить, исходя из поочередного форсирования этих параметров.
В соответствии с
усталостной теорией износа [8] для различных его видов (упругий контакт,
пластическое деформирование, микрорезание) в общем виде скорость 
и
интенсивность 
изнашивания
выражаются степенной функцией:
(2)
где 
- коэффициент
пропорциональности;
р - удельная нагрузка на поверхность трения;
с - скорость скольжения;
а,b - показатели степени.
Лившиц В.Н. установил,
что моменту перехода от "нормального” режима бурения в
"критический" соответствует строго определенное значение произведения
осевой нагрузки и частоты вращения Рос
n. Автором получена следующая функциональная
зависимость интенсивности изнашивания 
импрегнированной буровой коронки, оснащённой синтетическими
алмазами, от параметров режима бурения:
(3)
- коэффициент,
зависящий от прочности алмазов;
- коэффициент,
учитывающий коэффициент трения матрицы о
породу и
теплопроводность материала матрицы;
Рос - осевая
нагрузка на коронку, даН;
- линейная
скорость перемещения алмазных резцов, м/с.
На показатели работы
алмазных буровых коронок в первую очередь влияет эффективность разрушения ими
горных пород, которая зависит от конструктивных особенностей инструмента и
параметров режима бурения а именно:
- оптимальная скорость
бурения импрегнированными коронками достигается при условии образования в
процессе бурения крупных частиц шлама;
- величина выступания
алмазов из матрицы должна обеспечивать необходимый зазор между матрицей коронки
и породой забоя для выноса крупных частиц шлама;
- для оценки влияния
конструктивных параметров инструмента и параметров режима бурения на
эффективность разрушения горных пород;
- необходимо провести
лабораторное исследование и установить повышению износостойкости матрицы за
счет усовершенствования конструктивных параметров.
Онищин В.П. предложил для определения равнопрочного
торца модель коронки, форма профиля которого не изменялась в процессе ее
отработки, т.е. равномерно уменьшалась бы по ширине торца [1]. При этом были
использованы следующие предположения:
-
нагрузка распределена
равномерно по всей площади торца;
-
износ коронки по нормали
к поверхности торца пропорционален удельной (отнесенной к площади) работе сил
трения.
В результате было
получено уравнение вида
