Статья / Технические науки – Разработка полезных ископаемых и геодезия

УДК 622.243.3:548.4

Горшков Л.К., Яковлев А.А., Буканов А.А.

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург

ООО «Русская буровая компания», Москва

В статье рассмотрены теплоэнергетические основы технологии алмазного бурения скважин. Введено понятие об удельной забойной мощности. Предложено использовать данный показатель для оценки интенсивности теплового режима работы коронки и выбора параметров режима бурения.

Ключевые слова: алмазная буровая коронка, концентрация и зернистость объемных алмазов, удельная предельно допускаемая забойная мощность, расход очистного агента, технологические параметры режима бурения.

Алмазное бурение можно как процесс объемного взаимодействия двух дискретных шероховатых поверхностей: режущей части алмазной коронки, представленной алмазами и микронеровностями рельефа торца матрицы, и забоя скважины. Такое контактирование, характеризуемое как внешнее трение, имеет особенности:

- в контакте находятся тела с различными физико-механическими характеристиками, при этом алмазная коронка в своей режущей части представляет собой композицию из самого твердого минерала (алмаза) и сравнительно мягкой матрицы;

- шероховатость режущей части коронки в 1,5 – 10 раз превосходит по высотным параметрам шероховатость забоя скважины;

- контакт является скользящим в диапазоне скоростей от 0,5 до 10 м/с;

- контактные температуры колеблются в пределах от 100 до 1200⁰С, причем градиенты температур в коронке и буримой породе различны;

- интенсивности изменения шероховатостей породы и торца матрицы не одинаковы и переменны во времени.

Внешнее трение в паре коронка – забой представляет собой двойственный процесс: с одной стороны, имеет место диссипация энергии на преодоление молекулярной связи; с другой – наблюдается формоизменение поверхностного слоя породы из-за внедрения в нее алмазных резцов. Общий коэффициент внешнего трения определяется суммой механической и молекулярной составляющих [1]:

f = f_мех + f_мол = k α_г (h/R)^1/2 + τ_o/P_ф + β,

где k – коэффициент, характеризующий распределение выступов шероховатостей по высоте; α_г – коэффициент гистерезисных потерь при упругом контактировании; τ_o – прочность мостика фрикционной связи при отсутствии сжимающей нагрузки; P_ф – осевое давление при осуществлении фрикционной связи; β – коэффициент упрочнения мостика фрикционной связи при действии давления P_ф; h – глубина внедрения единичной неровности, моделируемой сферическим сегментом; R – радиус сферического сегмента.

Очистной агент в призабойной зоне участвует в формировании шероховатости, так как от его природы и расхода зависит величина сдвигового сопротивления молекулярных связей поверхностного слоя буримой породы, отсюда вытекает важность поддержания такой характеристики контакта, как величина свободного пространства между выступами (алмазами и неровностями забоя). Количество очистного агента в зоне этого свободного пространства пропорционально кубу высоты зазора и зависит от вязкости, или природы, очистного агента [2].

Роль очистного агента состоит еще и в том, что с его помощью можно ослабить поверхностный слой буримой породы, то есть снизить адгезионную составляющую коэффициента трения. На прочность адгезионной связи влияют физические и механические характеристики пород, совершенство их кристаллической решетки. Существенным является и химическое сродство тел, например, алмазов с железом и кварцем, входящим в состав буримых пород.

Результаты моделирования теплового режима алмазного бурового инструмента показали необходимость определения предельно допустимого значения забойной мощности, превышение которого ведет к перегреву алмазов и снижению работоспособности алмазных коронок в целом.

Получение аналитической зависимости температуры нагрева режущих граней алмазов от ряда конструктивных и технологических факторов с использованием понятия о показателе интенсивности теплообмена коронки с окружающей средой позволило решить задачу о выборе рациональных параметров режима алмазного бурения с учетом действия температурного фактора, и тем самым были созданы теплоэнергетические основы технологии алмазного бурения коронками любых типоразмеров и конструкций [3].

Главная теплоэнергетическая основа для разработки рациональной технологии алмазного бурения заключается в определении величины предельно допустимой забойной мощности:

N_пр = k_o / k_н (t_a – t_o) 10^-3, кВт,

где k_o – показатель интенсивности теплообмена; k_н – коэффициент нагрева коронки, характеризующий долю теплоты, генерируемой на забое, которая поступает в тело коронки при бурении; t_a – температура режущих граней алмазов; t_o – усредненная температура очистного агента в призабойной зоне.

Как следует из последнего выражения, при постоянных значениях t_a и t_o предельно допустимая величина забойной мощности прямо пропорциональна показателю k_o, который является однозначным выражением влияния конструктивных особенностей коронки, вида и расхода очистного агента на тепловые условия работы буровых алмазов.

Таким образом, определив расход очистного агента, рассчитывают величину показателя k_o для буровой коронки при известных конструктивных параметрах ее, затем находят N_пр, после чего выбирают требуемые значения осевой нагрузки и частоты вращения бурового снаряда, исходя из твердости буримой породы и конструктивных особенностей коронки, в первую очередь, из зернистости объемных алмазов и насыщенности ими коронок.

Для упрощения оперативных расчетов величину N_пр целесообразно определять по заранее составленной номограмме для удельной забойной мощности (пример такой номограммы приведен на рис.1).

Рис. 1. Номограмма зависимости величины удельной забойной мощности от крупности алмазов, вида и расхода очистного агента для коронок диаметром 59 мм (a) и 76 мм (б):

1 ÷ 5 – очистной агент – вода, расход, л/мин: 1 -10; 2 – 30; 3 – 50; 5 – 100; 6 ÷ 9 – очистной агент – сжатый воздух, расход м³/мин (6 – 1,5; 7 – 3; 8 – 4,5; 9 – 6)

Введение понятия об удельной забойной мощности способствует быстрой и достаточно точной оценке интенсивности теплового режима работы коронок в зависимости от массы и зернистости заложенных в них объемных алмазов. Кроме того, удельная забойная мощность позволяет оценивать правильность выбора технологических параметров режима бурения, при которых обеспечивается непревышение допустимого значения самой забойной мощности. Зависимость для расчета величины удельной забойной мощности имеет вид:

N_уд = N_пр / M,

где M – масса объемных алмазов в коронке, кар.

Контроль нормального уровня нагрева коронки при бурении при этом можно вести в соответствии с зависимостью:

N_Т ≤ N_уд M ≤ N_пр,

где N_Т –текущее значение забойной мощности, определяемое выбранным соотношением режимных параметров, кВт.

Как следует из номограмм (см. рис.1), удельная забойная мощность возрастает практически пропорционально повышению расхода очистного агента и обратно пропорционально изменению линейных размеров объемных алмазов.

Анализ влияния крупности объемных алмазов на величину удельной забойной мощности при бурении с различными очистными агентами показал, что при одинаковом содержании объемных алмазов, например, 8.8 кар для коронок диаметром 59 мм, изменение крупности объемных алмазов от 120 ÷ 150 до 150 ÷ 400 шт/кар способствует увеличению возможной удельной забойной мощности более чем в два раза при бурении как с водой, так и с продувкой сжатым воздухом.

Цифровые значения технологических параметров режима бурения алмазными коронками нового поколения можно определить, исходя из геометрических характеристик коронок, а также концентрации и зернистости алмазов в них, применительно к конкретным геолого-техническим условиям бурения.

Литература:

1. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. – М.: Машиностроение, 1984.

2. Синтетические сверхтвердые материалы / В.А. Александров, А.А. Бугаев, А.А. Виноградов и др. – Киев: Наукова Думка, 1986.

3. Горшков Л.К., Гореликов В.Г. Температурные режимы алмазного бурения. - М.: Недра, 1992.