6.3. Проектирование режимов алмазного бурения

Алмазное бурение может быть высокоэффективно только при определенном сочетании параметров режима бурения, обеспечивающих высокую механическую скорость бурения и проходку на коронку до ее износа при малом расходе алмазов на 1 м бурения.

Оптимальной частотой вращения алмазной коронки будет максимальная частота вращения, при которой:

• мощность буровой установки и прочность колонны достаточны, чтобы обеспечить бурение на оптимальной нагрузке на коронку;

• обеспечивается требуемый выход керна;

• обеспечивается минимальный расход алмазов на 1 м бурения.

При выборе частоты вращения алмазной коронки следует руководствоваться следующими общими положениями:

- наибольшие значения частоты вращения следует задавать при бурении неглубоких скважин (до 500 м) и монолитных и слаботрещиноватых породах коронками малого диаметра (до 59 мм) и при бурении импрегнированными коронками;

- пониженные значения частоты вращения задаются при бурении весьма твердых кварцевых ожелезненных пород типа яшм, джеспелитов, роговиков; сильнотрещиноватых, раздробленных пород, прослоев пород, значительно отличающихся по твердости; глубоких скважин (свыше 2 000 м), скважин большого диаметра (76 мм и выше) и искривленных отклонителями, а также при использовании коронок, армированных крупными алмазами (зернистость 5–10 шт/карат или крупнее, при низком выходе керна.

На рис. 6.1 представлены графики зависимости механической скорости бурения импрегнированными алмазными коронками диаметром 59 и 76 мм от осевой нагрузки [2]. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 6.1, показывает, что механическая скорость бурения с ростом частоты вращения увеличивается и имеет максимум при осевой нагрузке 24 кН.

При повышении частоты вращения инструмента уменьшается глубина внедрения алмазного резца в породу и соответственно глубина борозды её разрушения. Причины этого состоят, прежде всего, в сокращении времени на развитие деформаций, снижении результирующего напряжения разрушения в породе и соответственно уменьшения глубины внедрения резца в породу [17]. В результате снижения результирующего напряжения разрушения повышается сопротивляемость породы резанию-скалыванию и раздавливанию, возрастает тангенциальное усилие, что является причиной уменьшения глубины внедрения резца в породу.

У становлено, что с ростом частоты вращения механическая скорость бурения возрастет, но темп её прироста по мере повышения частоты вращения уменьшается (от 0,95–0,7 до 0,7–0,5) при увеличении частоты вращения от 200 до 1200 мин^-1 [2]. При этом темп приращения механической скорости бурения с ростом частоты вращения для более твердых пород ниже, чем для менее твердых горных пород.

На рис. 6.2 представлены данные из работы [2], которые отражают влияние частоты вращения и осевой нагрузки на темп прироста механической скорости бурения в сопоставлении с ростом частоты вращения бурового инструмента.

Полученные графики показывают, что темп прироста механической скорости бурения с ростом частоты вращения минимален при наименьшей (6 кН) и наибольшей (30 кН) осевых нагрузках. В первом случае, очевидно, осевая нагрузка недостаточна для объемного разрушения породы, а во втором чрезмерна, что привело к зашламованию забоя.

При осевых нагрузках 18 и 24 кН и частоте вращения 800 мин^-1 темп роста механической скорости бурения начинает опережать темп роста частоты вращения. Именно эти параметры режима бурения, а именно, осевая нагрузка 18–24 кН и частота вращения 800–1 200 мин^-1 в данном случае являются оптимальными. Эти режимы бурения соответствуют лучшим условиям объемного разрушения породы, при котором важны оба основных параметра.

Таким образом, каждому значению частоты вращения соответствует определенная оптимальная осевая нагрузка на буровой инструмент, обеспечивающая максимум механической скорости бурения. Как правило, при росте частоты вращения снаряда осевую нагрузку увеличивают для повышения напряжения разрушения породы, которое снижается при повышении скорости перемещения резцов коронки. При достижении критического значения частоты вращения бурового снаряда при постоянном значении осевой нагрузки на алмазную коронку снижение механической скорости бурения сопровождается интенсивным микроизнашиванием и заполированием торца алмазной коронки. Для предотвращения начинающегося процесса заполирования следует несколько увеличить осевую нагрузку на инструмент, а затем вновь повысить частоту вращения и подачу очистного агента. Таким образом, путем последовательных шагов следует установить оптимальное сочетание частоты вращения и осевой нагрузки.

Предельное значение частоты вращения бурового инструмента ω_пр определяется предельно допустимой забойной мощностью N_пр [5]

, (6.5)

где D_и – диаметр бурового инструмента, м;

Р_ос – осевая нагрузка, Н.

Рекомендуемые частоты вращения и значения осевых усилий, рекомендованные ВИТРом, приведены в табл. 6.1 [2, 5].

Следует отметить, что приведенные значения являются усредненными и не учитывают насыщенности матриц инструмента алмазами. В соответствии с методикой, представленной в работе [5], значение осевой нагрузки можно скорректировать в соответствии с расчетом по следующей зависимости:

, (6.6)

где φ_O – коэффициент, учитывающий изменение площади контактирования алмазов с забоем скважины (φ_О= 0,17–0,25 – меньшее значение относится к породам с твердостью р_ш >3,5 ГПа, большее к породам твердостью р_ш <1,5 ГПа);

f_a – суммарная площадь контактов объемных алмазов с породой, м².

Как следует из выражения (6.6), осевая нагрузка на алмазный инструмент повышается с ростом твердости горных пород и концентрации объемных алмазов.

Таблица 6.1

Осевая нагрузка и частота вращения при бурении алмазным буровым инструментом горных пород различной твердости

Категория по буримости и твердость горных пород	Зернис-тость объем-ных алмазов, шт/карат	Осевая нагрузка, кН (по данным ВИТРа)	Расход воды, л/мин
			30		50		70
			Nпр, кВт	ωпр, мин-1	Nпр, кВт	ωпр, мин-1	Nпр, кВт	ωпр, мин-1
VI, VII: 1–2,5 ГПа	10–20	4–8 5–10	26 24	400–1 400 350–1 100	33 27	400–1 800 350–1 250	39 31	400–2 100 350–1 450
VIII, IX: 2,5–4 ГПа	20–30	6–12 8–13	16 19	300–1 100 250–1 050	20 21	300–1 300 250–1 150	23 24	300–1 500 250–1 350
	40–50		12 13	200–1 400 150–1 250	14 15	200–1 700 150–1 400	16 17	200–2 000 150–1 600
IX-XI: 4–5,5 ГПа	120–150	8–13 12–17	7 8	450–550 400–500	8 9	450–650 400–550	9 11	450–750 400–600
	150–400		11 14	500–600 500–550	13 15	500–750 500–600	15 17	500–850 500–700
XI, XII: 5,5–7,0 ГПа	400–800	12–20 15–23	27 37	750–1 300 800–1 200	33 41	750–1 600 800–1 350	38 48	750–1 900 800–1 600
	800– 1 200		39 55	800–1 600 1 000– 1 500	48 61	800–1900 1 000– 1 700	56 70	800–2 200 1 000– 1 900

Примечания:

1. В числителе значения для коронок диаметром 59, в знаменателе 76 мм.

2. При зернистости алмазов 10–20 шт/карат предельная мощность для коронок 59 мм выше, чем 76 мм, из-за повышенного содержания объемных алмазов.

3. При бурении по трещиноватым породам частоту вращения снаряда, приведенную в данной таблице, следует уменьшить на 25–30 %.

Частота вращения алмазной коронки может определяться также исходя из рекомендуемых значений окружной скорости для различных пород (формула 6.2) [10]:

Для пород VIII,IX категорий по буримости……………………………………………	3–4 м/с
Для пород X,XI категорий по буримости………………………………………………	2–3 м/с
Для пород XII категории по буримости………………………………………………...	1,5–2 м/c

Частота вращения коронки может рассчитываться также в зависимости от твердости разбуриваемых горных пород:

, (6.7)

где D_н – наружный диаметр коронки, м;

р_ш – твердость горной породы, ГПа (1 ГПа = 1·10⁹ Па; для пород VII–XII категории 2,0<р_ш<8,0 ГПа).

Как следует из формулы (6.7), частота вращения коронки снижается при повышении твердости горных пород и диаметра коронки.

Осевые нагрузки, рассчитанные по формуле (6.6), соответствуют началу бурения новой коронкой. По мере приработки коронки, увеличения зоны разрушения горной породы и зашламования забоя скважины следует повышать осевую нагрузку с одновременным повышением частоты вращения инструмента и расхода очистного агента.

Начало повышения осевой нагрузки, рассчитанной по формуле (6.6), обычно совпадает с началом падения механической скорости бурения, менее интенсивного для импрегнированного бурового инструмента и более интенсивного для однослойного, т.к. последние содержат более крупные алмазы, для которых по мере износа площадь контакта с породой увеличивается более интенсивно. Поэтому с увеличением площади контактов объемных алмазов с породой на забое скважины следует увеличивать осевую нагрузку на алмазный инструмент: для однослойных коронок до 2–2,2 раза, для импрегнированных – до 1,3 раза [2].

Влияние осевой нагрузки на процесс разрушения горных пород при алмазном бурении наглядно представлено на рис. 6.3, где даны зависимости механической скорости бурения и износа коронки 02И3-46 от удельной нагрузки на коронку при частоте вращения 700–800 мин^-1 [2].

А нализ зависимостей показывает, что механическая скорость бурения имеет максимум, а износ – минимум при удельной нагрузке на коронку 15 Н/мм². При дальнейшем повышении нагрузки на коронку механическая скорость бурения сначала уменьшается, а затем возрастает, что сопровождается повышением расхода алмазов. Визуальное наблюдение за характером износа резцов показало, что алмазы, работавшие при повышенных нагрузках (зона II на рис. 6.3) имели трещины и сколы, в то время у коронок, работавших при параметрах режима бурения, соответствующих зоне I на рис. 6.3, чрезмерного износа матрицы и разрушения алмазов не наблюдалось.

Оптимальные значения осевой нагрузки на коронку могут определяться по следующим формулам [10]:

- для однослойной коронки

, (6.8)

- для импрегнированной коронки

, (6.9)

где G – масса объемных алмазов, карат;

p_ш – твердость горных пород, Н/мм²;

d_a – диаметр алмазного резца, мм;

h – высота отрабатываемой части матрицы коронки, мм (у коронок со стандартной по высоте матрицей h = 4–5 мм).

Осевая нагрузка на коронку может быть рассчитана на основании значений удельной нагрузки на 1 см² рабочей площади торца алмазной коронки, рекомендованной для различных категорий пород:

P=P_у · S, (6.10)

где S – рабочая площадь торца алмазной коронки (за вычетом площади промывочных каналов), см²;

P_у – удельная нагрузка на коронку, Н/cм² (для пород VIII–IX категорий P_у = 750–900 и до 1200 Н/cм²; для пород XI категории P_у = 900–1 200 даН/cм²; для пород XII категории P_у = 1 000–1 500 и до 1 700 Н/cм²).

Расчет по формуле (6.10) следует производить в тех случаях, когда толщина матрицы коронки отличается от стандартной (коронки с утолщенной или утонченной матрицей, коронки для двойных колонковых труб и др.).

При алмазном бурении необходима координация частоты вращения и осевой нагрузки на коронку, то есть при увеличении частоты вращения следует увеличивать и значение осевой нагрузки, а снижение частоты вращения требует снижения задаваемой осевой нагрузки.

С целью исследования совместного влияния частоты вращения и осевой нагрузки на изнашивание инструмента построены графики (рис. 6.4), на которых данные об износе алмазов аппроксимировались зависимостью типа

Р_ос · ω – const [2]. Анализ зависимости показывает, что коронки, бурение которыми осуществлено при параметрах режима бурения находящихся в области графика А, не имеют аномального износа и, напротив, у коронок, отработка которых осуществлена в соответствии с параметрами режима бурения из области графика В, все алмазы имели видимые повреждения. В области С наблюдались коронки, получившие аномальный износ и не имеющие такового.

С опоставление графиков на рис. 6.3 и 6.4 позволяет сделать вывод о том, что область графиков А (рис. 6.4) соответствует сочетаниям параметров режима бурения, лежащих слева (зона I) от первого максимума зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки (рис. 6.3), а область В соответствует сочетаниям параметров частоты вращения и осевой нагрузки при значениях осевой нагрузки, лежащих справа от этого максимума (зона II).

Наличие области С свидетельствует о различном качестве изготовления коронок и влиянии случайных факторов.

При алмазном бурении, кроме осевого усилия и частоты вращения, важнейшим параметром является подача на забой промывочной жидкости, которая должна обеспечивать не только очистку забоя от шлама, но и охлаждать буровой инструмент. Главным фактором, обеспечивающим необходимую степень охлаждения алмазного инструмента, является скорость движения промывочной жидкости в каналах инструмента. При этом увеличение скорости движения промывочной жидкости в каналах алмазной коронки способствует росту механической скорости бурения.

Повышение скорости движения промывочной жидкости может быть достигнуто за счет:

• увеличения расхода жидкости;

• увеличения числа и сокращения размеров промывочных каналов при сниженном расходе промывочной жидкости;

• изменением геометрических характеристик промывочных каналов и созданием ускорителей потока промывочной жидкости.

Второй и третий путь представляются более перспективными, так как отличаясь меньшими затратами энергии на подачу жидкости, характеризуется меньшим эрозионным воздействием потока жидкости на скважину и керн. При этом большее число промывочных каналов обеспечивает более равномерное охлаждение матрицы коронки.

С учетом числа промывочных каналов для коронок диаметром 59 и 76 мм могут быть рекомендованы следующие значения расхода жидкости: 15–40 л/мин и 15–55 л/мин соответственно.

По мере износа матрицы по высоте особенно импрегнированного бурового инструмента высота промывочных каналов также сокращается и возрастает скорость потока промывочной жидкости, которую можно определить из формулы [4]:

, (6.11)

где Q – подача промывочной жидкости, л/мин;

k_k, b_k, h_k – число, ширина и начальная высота промывочных каналов в коронке.

Если задаваться рекомендуемыми скоростями потока жидкости в каналах коронки, равными 7–10 м/с, то пропорционально снижению высоты канала можно определить и рациональный расход промывочной жидкости, который будет снижаться по мере износа буровой коронки.

Если не снижать подачу жидкости с уменьшением площади каналов, то неоправданно будет расти перепад давления на коронке, а значит гидравлическое сопротивление, возникнет гидроподпор бурового инструмента. При этом условия очистки от шлама и охлаждения инструмента при снижении подачи жидкости не ухудшаются, но снижаются энергозатраты и повышается эффективность бурения, что необходимо учитывать при проектировании режима подачи очистного агента в скважину в процессе алмазного бурения.

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

В работе [4] рекомендованы зависимости для расчета оптимальных значений количества подаваемой промывочной жидкости Q_з и осевой нагрузки Р_з при бурении заточенными алмазными коронками (коронками с заданным выпуском алмазных резцов) в сравнении со значениями количества жидкости Q_н и осевой нагрузкой Р_н, применяемых при бурении незаточенными коронками:

, (6.12)

где h_обз, h_обн – углубление соответственно за оборот заточенными и незаточенными коронками.

Оптимальная углубка за оборот, по данным эксперимента, составляет

~ 0,5 от величины выпуска алмазов из матрицы.

При управлении процессом бурения для каждого типа коронки компанией Boart Longyear рекомендуется рациональная частота вращения, выбор которой определяется по значению линейной скорости перемещения резца в пределах 2–5 м/c, и усилие подачи, которое должно обеспечить определенную скорость проходки. Критерием оптимального управления алмазного бурения является значение показателя RPI «число оборотов на сантиметр подачи».

Например, при частоте вращения 1 200 мин^-1 и скорости проходки 15 см показатель RPI составит 1 200/15=80. Управление процессом бурения осуще-ствляют, ориентируясь на RPI=80–100, но считаются допустимыми и более высокие скорости проходки, для которых RPI = 60–50. В данном случае критерием выбора параметров режима бурения и скорости углубления является износостойкость инструмента.

В табл. 6.2 приведены рекомендуемые параметры режима бурения импрегнированными коронками компании Boart Longyear.

Импрегнированные коронки снимаются с работы после их полного износа. Указанием на то, что коронка достаточно изношена, является резкое повышение давления нагнетания промывочной жидкости, связанное с уменьшением высоты промывочных каналов коронки.

Таблица 6.2

Рекомендуемые параметры режима бурения импрегнированными коронками компании Boart Longyear

Типоразмер коронки	Расход промывочной жидкости, л/мин	Частота вращения, мин-1	Скорость бурения (см/мин) при RPI, об/cм			Осевая нагрузка, кН
			80	100
AQ – 47,6 мм	11–15	2 000 1 200 850	25 15 11	20 12 9	9–23
BQ – 59,6 мм	23–30	1 700 1 000 700	22 13 9	17 10 7	9–23
NQ – 75,3 мм	30–38	1 350 800	17 10	14 8	14–27
HQ – 96,1 мм	38-45	1 000 600	13 8	10 6	18–36
PQ – 122,6 мм	68–87	800 600	10 6	8 5	23–45

Если алмазная коронка заполировалась и скорость бурения восстановить не удается, то необходимо провести работу по восстановлению рабочей поверхности импрегнированной коронки, чтобы вскрыть новый слой алмазов. Это рекомендуется выполнять, уменьшая частоту вращения коронки на 30–50 % и поддерживая постоянной скорость бурения. При этом возрастает нагрузка на торец матрицы коронки и после углубления на 1–2 см в породу осевое усилие должно снизиться, что указывает на то, что произошла заточка коронки. После этого следует уменьшить осевую нагрузку и увеличить частоту вращения коронки, обеспечивая требуемый индекс скорости бурения (RPI).

Не рекомендуется производить заточку коронок отключением подачи промывочной жидкости.

Восстановление рабочей поверхности заполированной коронки на поверхности следует производить пескоструйным аппаратом.

Для исключения заполирования коронок следует перейти на коронку с более мягкой матрицей (с более высоким номером серии) или использовать коронку с тем же номером серии, но модификации Competent, которая имеет также более мягкую матрицу, но не в такой степени, как коронка Alpha Bit с более высоким номером.

Для эффективного бурения однослойными коронками компании Boart Longyear рекомендуются такие параметры режима бурения.

Частота вращения для коронок типоразмера A – 800–1 500 мин^-1; B – 600–1 200 мин^-1; N – 500–800 мин^-1; H – 400–600 мин^-1; P – 350–500 мин^-1.

Осевую нагрузку (максимально возможную) при использовании алмазов высокого качества рекомендуют выбирать по следующей формуле:

P = 3,2 · g · S,

где g – вес алмазов в каратах;

S – зернистость алмазов, шт/карат.

Пример 10: коронка NQ – g = 16 карат; S = 45/55 шт/ карат. Допустимая нагрузка на коронку P = 16 · 50 · 3,2 = 25,6 кН.

Расход промывочной жидкости рекомендуется устанавливать в следующих пределах: коронка AQ со штангами AQ (A со штангами AW) 8–12 (8–12) л/мин; коронка BQ со штангами BQ (B со штангами BW) 15–19 (19–26) л/мин; коронка NQ со штангами NQ (N со штангами NW) 19 – 26 (23–42) л/мин; коронка HQ со штангами HQ (H со штангами HW) 23–42 (30–50) л/мин; коронка PQ со штангами PQ 38 – 57 л/мин.

К омпания Atlas Copco при выборе частоты вращения рекомендует ориентироваться на оптимальное значение окружной скорости перемещения резца: импрегнированной коронки 2–5 м/c, однослойной 1–3 м/c. По формуле (6.2) можно определить значения частоты вращения в зависимости от рекомендуемой линейной скорости.

На рис. 6.5 представлена диаграмма, позволяющая получить ориентировочные значения частот вращения для различных типов и размеров бурового инструмента в соответствии с рекомендуемыми значениями окружных скоростей перемещения резца при разрушении породы.

Средства снижения вибрации бурового снаряда при алмазном бурении позволяют уменьшить вредное влияние вибрации на технологический процесс алмазного бурения, которое может состоять в:

- повышении затрат мощности на вращение бурового снаряда, что требует снижения частоты вращения колонны;

- снижении показателей работы бурового инструмента – механической скорости бурения и ресурса;

- повышении износа бурильной колонны и бурового оборудования;

- снижении выхода керна;

- уменьшении производительности бурения.

Для снижения вибрации бурового снаряда при алмазном бурении скважин с поверхности и из подземных горных выработок рекомендуется применение эмульсионных промывочных жидкостей, а также ( при бурении скважин с поверхности) применение консистентных смазок типа КАВС или Геол).

Ориентировочно необходимое количество (кг) смазки можно рассчитать по следующей формуле:

, (6.13)

где L – глубина скважины, м;

v – скорость бурения, м/ст.-мес.;

K – периодичность нанесения, или стойкость смазки, сут;

q_см – количество смазки, необходимое для одократного покрытия колонны труб длиной 100 м, кг ( в среднем 4–6 кг).

Пример 11. Спроектировать режим бурения коронкой 02И4 диаметром 59 мм, ширина матрицы 8,5 мм в породах Х, ХI категорий буримости, абразивных. Глубина бурения 600 м, буровая установка УКБ-5П. Определить расход смазки, если планируемая скорость бурения по скважине 400 м/ст.-мес, стойкость смазки 4 сут.

1.Частоту вращения коронки рассчитаем по формуле (6.2), задавшись окружной скоростью вращения 2 м/c

мин^-1;

или по формуле (6.7), определив твердость, равную 6 ГПа:

мин^-1.

С учетом данных, приведенных в табл. 6.1, частота вращения коронки может устанавливаться в пределах 800 – 1 700 мин^-1 в зависимости от расхода промывочной жидкости.

Принимая во внимание абразивность пород и значительную глубину бурения, в соответствии с технической характеристикой бурового станка СКБ-5 выбираем VI и V частоты вращения шпинделя, которые обеспечивают 715 и 539 мин^-1.

2. Осевая нагрузка, рассчитывается по формуле (6.8):

кН;

по формуле (6.10) осевая нагрузка при площади промывочных каналов 4·10^-4 м² составит

Р = 90·0,785(0,059² – 0,042²) – 4·10^-4 ·10⁴ = 8,55 кН или

Р = 75·0,785(0,059² – 0,042²) – 4·10^-4 ·10⁴ = 7,12 кН.

Принимая во внимание абразивность пород, выбираем нагрузку на коронку в пределах 7,0 – 8,0 кН.

3. Количество промывочной жидкости принимаем в соответствии с рекомендациями в размере 50 л/мин.

4. Расход смазки рассчитаем по формуле (6.13):

кг.

Проектирование режимов бурения скважин из подземных горных выработок. При бурении пологонаклонных, горизонтальных и восстающих скважин условия работы бурового инструмента улучшаются благодаря снижению угнетающего давления на забой очистного агента. В результате облегчаются условия выноса шлама и очистки забоя, увеличивается интенсивность разрушения горной породы и улучшаются условия кернообразования. В связи с этим проектирование параметров режима бурения следует вести с учетом особенностей бурения горизонтальных и восстающих скважин: осевую нагрузку нужно снижать на 20–30 % для однослойных коронок и на 10–15 % для импрегнированных; количество жидкости уменьшать в 2–3 раза для восстающих скважин и в 1,5 раза для горизонтальных скважин.

Частота вращения коронки при бурении горизонтальных и восстающих скважин устанавливается такая же, как и для вертикальных или наклонных скважин.