Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Общие сведения об условиях работы алмазного породоразрушающего инструмента

09.05.2019


Алмазный ПРИ, как было показано ранее, имеет довольно сложную конструкцию с большим количеством резцов малого размера, выпуск которых из тела матрицы составляет небольшую величину — от десятых до сотых долей мм. Этим обстоятельством обусловливаются определенные закономерности его работы, в частности, масштабы и характер разрушения пород, величина углубки скважины за один оборот и механическая скорость бурения. Масштабы разрушения породы весьма невелики, а глубина внедрения алмазных зерен — резцов изменяется в пределах от 0,25—0,4 до 0,6 от величины их выпуска из тела матрицы. При взаимодействии с породой в процессе работы породоразрушающий инструмент нагревается, причем температура может достигать величины 1000 °C и более. В матрице ПРИ при этом возникают температурные напряжения, приводящие к ее разрушению и графитизации алмазных зерен, которые будут интенсивно изнашиваться и полироваться. Таким образом, эффективность или ТЭП работы алмазного ПРИ зависят от целого ряда факторов: геологических, технических и технологических.

Под геологическими факторами подразумевают свойства горных пород (твердость, абразивность, пластичность, хрупкость, пористость, неоднородность) и их физико-геологическое состояние (монолитность и раздробленность, трещиноватость, выветрелость, устойчивость и т. д.).

По характеру процесса разрушения алмазными резцами все горные породы можно разделить на три группы.

Породы первой группы характеризуются сравнительно невысокой твердостью, вязкостью и небольшой абразивностью. Разрушение таких пород алмазными резцами носит пластичнохрупкий характер. Продукты разрушения (мелкие частицы) в этом случае могут быть спрессованы в плотную массу, прилипающую к торцу коронки, что резко снижает эффективность процесса разрушения породы и удаления шлама. В результате буримость таких пород оказывается ниже, чем буримость пород, обладающих большей твердостью. К породам этой группы относятся: глинистые и песчанистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, филлиты, известняки, доломиты и др. Такие породы эффективно разрушаются при относительно небольших значениях осевой нагрузки Gо и частоты вращения n, но с интенсивной промывкой забоя, коронками с большим выпуском алмазов, имеющих зернистость 2-10 шт/кар, или зубчатыми коронками, имеющими хорошо развитую систему промывочных каналов.

Ко второй группе относятся песчаники всех видов, характер разрушения которых определяется свойствами цемента и особенностями зерен, слагающих породу. В этом случае разрушению подвергается в основном цемент, от которого отрываются отдельные зерна с образованием стружки надлома или отрыва и мелкораздробленной массы частиц. Стенки борозды, формируемой резцами, имеют весьма неровную поверхность с выемками — углублениями различной формы.

К третьей группе относятся кристаллические разности изверженных и метаморфических пород — базальты, андезиты, порфириты, дациты, траппы, перидотиты, габбро, диориты, граниты, сиениты, тералиты, пегматиты, а также окварцованные и окремненные разности карбонатных пород и сильно метаморфизованные кварцсодержащие неожелезненные породы — кварциты, кремни, роговики и др. Разрушение пород этой группы алмазными резцами носит упруго-хрупкий характер. Алмазный резец в этом случае срезает — скалывает или раздавливает зерна, слагающие породу. В зернах кварца образуется сеть очень мелких трещин. Поверхность среза имеет раковистый излом, что свидетельствует об упругохрупком, без пластических деформаций разрушении зерен. Зерна менее твердых породоразрушающих минералов, например полевого шпата, чаще раздавливаются, причем зона дробления наблюдается ниже плоскости резания. Сколовшиеся по плоскости спайности частицы также пронизывают сетью тонких трещин. Частицы разрушенных зерен таких пород не спрессовываются, а, наоборот, образуют рыхлую массу, заполняющую борозду. Менее твердые, вязкие минералы, слагающие породы данной группы, срезаются алмазными резцами с образованием достаточно ровной поверхности среза.

Эффективное разрушение пород второй и третьей групп происходит при повышенных значениях Go и n и умеренной интенсивности промывки. При недостаточной величине Go происходит заполирование алмазных зерен.

Здесь следует отметить, что на процесс работы алмазного ПРИ и его эффективность особенно существенное влияние оказывают абразивность и трещиноватость горных пород, от проявления которых зависит интенсивность износа и работоспособность породоразрушающего инструмента. Абразивное воздействие на ПРИ могут оказывать как сама порода, так и продукты ее разрушения — породный шлам. При этом сама по себе порода может быть не абразивной, а породный шлам — весьма абразивным. Степень абразивности продуктов разрушения трещиноватых пород существенно возрастает в связи с увеличением крупности частиц разрушаемой при бурении породы.

Технические факторы связаны с конструктивными элементами ПРИ: размером (зернистостью) алмазных резцов; их качеством и формой; схемой размещения в матрице и величиной выхода зерен из матрицы; ориентацией режущих граней по вектору твердости кристаллов алмазов; качеством и формой матрицы; насыщенностью рабочей части матрицы алмазами и др. Все эти факторы в той или иной мере учитываются при конструировании ПРИ применительно к типам горных пород, характеризующихся определенными свойствами.

Технологические факторы, к числу которых относятся, прежде всего, параметры режима работы ПРИ (окружная скорость, осевая нагрузка, интенсивность удаления продуктов разрушения и охлаждения ПРИ), а также динамика работы бурильной колонны (вибрации, импульсные нагрузки и др. определяют условия эксплуатации ПРИ или режим его отработки. Действие ряда из этих факторов зависит еще и от характера среды, в которой происходит взаимодействие ПРИ с горной породой — воздух или жидкость — и ее качество. В случае работы ПРИ в режиме «сухого» трения, по данным ВИТРа, температура матрицы быстро увеличивается до 600—700 °C, что влечет за собой рост мощности, затрачиваемой на вращение ПРИ, отмечаемый ваттметром. Этот факт может служить критерием возможного прижога ПРИ в случае недостаточной интенсивности его охлаждения. При работе в режиме «мокрого» трения температура на торце матрицы не превышает 200 °С, что не опасно для алмазного ПРИ.

Процесс разрушения горных пород может протекать в различных режимах: в режиме внутреннего трения — объемного хрупкого разрушения (раздавливанием, сдвигом-скалыванием элементов породы) или пластических деформаций (смятием-резанием) и в режиме внешнего трения — в границах упругой деформации породы (поверхностное разрушение, истирание породы).

Возможен и комбинированный режим поверхностного и усталостно-объемного разрушения при многократно повторяющихся циклах воздействия резцов на породу (для твердых пород от 10в6—10в10 и до бесконечности циклов).

Процесс объемного разрушения породы в режиме микрорезания или раздавливания — скалывания является наиболее эффективным или нормальным. Во всех этих процессах износу — усталостному, абразивному или эрозионному — подвергаются как порода, так и алмазные резцы и матрица.

В процессе разрушения горной породы алмазным ПРИ в контактах резцов и матрицы с породой работают силы трения, за счет чего выделяется тепло на поверхностях трения в связи с преодолением молекулярных связей и в некотором объеме трущихся тел при деформации поверхностного слоя. Контактная температура при этом может достигать 100°С, а объемная — в теле матрицы и в породе — 100—200° С. Тепло от алмазных резцов отводится в матрицу и в массив горной породы при их перемещении. Тепло от матрицы отбирается очистным агентом.

При определенных условиях количество отбираемого тепла может оказаться меньше количества выделяемого. Тогда может произойти чрезмерное повышение температуры алмазных резцов, при которой начнется процесс их графитизации, сопровождающийся повышенным износом вплоть до прижога ПРИ. Такие условия возникают при прекращении циркуляции очистного агента в течение 10—30 с.

Все основные показатели эффективности работы алмазного ПРИ находятся в зависимости, прежде всего, от интенсивности и характера износа алмазов и матрицы. Износ алмазного ПРИ, возникающий по различным причинам, может быть разного вида. Обычно выделяют три разновидности износа: нормальный, аномальный и катастрофический или аварийный.

Нормальный износ заключается в постоянном и равномерном изменении геометрических форм и размеров элементов ПРИ — алмазных резцов и матрицы. Алмазные резцы при этом уменьшаются в размере и изменяют геометрическую форму, приобретая округлые очертания и площадку притупления. Для однослойных коронок с этим связано постепенное снижение механической скорости бурения. Нормальный износ матрицы обеспечивает обнажение алмазных зерен, что совершенно необходимо для эффективной работы многослойных и импрегнированных ПРИ. Такой износ является следствием нормального технологического процесса бурения, определяемого принципом работы алмазного ПРИ. Опыт отработки алмазного ПРИ показывает, что нормальный износ проявляется по-разному в зависимости от их конструкции.

Для однослойных алмазных ПРИ выделяют три стадии износа. В первой, начальной стадии отработки при величине углубки до 20% от максимальной на инструмент происходит довольно интенсивный износ. Этот период приработки инструмента, характеризующийся ростом механической скорости бурения. Вторая, более продолжительная стадия отработки (около 60%) характеризуется в нормальном случае медленным, имеющим постоянную интенсивность износом инструмента и более или менее стабильной механической скоростью бурения или постепенным ее снижением. И, наконец, для третьей стадии характерно резкое повышение интенсивности износа до полного выхода из строя инструмента с большой потерей алмазов и резкое снижение механической скорости бурения.

Для импрегнированного алмазного инструмента картина износа несколько иная. В течение всего периода отработки износ растет с мало изменяющейся интенсивностью, а механическая скорость в начальный период отработки растет, затем стабилизируется (до отработки на 80—90%) и, наконец, заметно снижается.

Отсюда видно, что сточки зрения рационального использования алмазов, эксплуатацию ПРИ следует прекращать до наступления интенсивного износа, с которым связано выпадение зерен алмазов из матрицы и их полная потеря. Практически это наступает у однослойного алмазного инструмента при отработке на 80—85%. Импрегнированный ПРИ также, как и многослойный, рационально отрабатывать до полного износа объемных алмазов, при котором наступает резкое снижение механической скорости бурения.

Аномальный износ происходит в случае нарушения технологии отработки или правил эксплуатации ПРИ, или наличия заводских дефектов. При этом может происходить скалывание алмазных зерен (до 40% случаев износа алмазов), растрескивание алмазов (до 15% случаев), выпадение алмазных зерен вследствие интенсивного износа матрицы (до 30%). Аномальный износ матрицы заключается в образовании кольцевых канавок по кромке торца матрицы (снаружи и внутри), по наружной и внутренней поверхностям и в торцовой части, а также заполирование алмазов. Торец матрицы может приобретать конусообразную асимметричную или симметричную форму. При этом могут происходить интенсивное обнажение и выпадение алмазных зерен.

Катастрофический износ ПРИ может быть связан с нарушением правил его эксплуатации, заводскими дефектами или возникновением аварийных ситуаций по разным причинам. В таких случаях происходит выкрашивание матрицы, деформирование коронки, образование трещин в матрице, скол секторов матрицы и др.

Заполирование алмазных резцов, как установлено исследованиями ВИТРа, является сложным процессом, определяющим в большой степени эффективность работы алмазного ПРИ. Суть этого процесса сводится к следующему. Заполирование алмазов происходит при взаимодействии их с упруго-хрупкой породой высокой твердости и при небольшой глубине внедрения алмазных резцов в породу. В таких условиях происходит процесс приработки пары резец—порода. Под действием динамических нагрузок острые выступы у резцов скалываются, появляются площадки притупления. При достаточной монолитности, однородности и небольшой абразивности породы алмазные зерна начинают скользить по поверхности забоя, не внедряясь в породу в связи с увеличением контактной поверхности и снижением контактных напряжений в породе. Начинает преобладать поверхностный механический износ трущихся пар. В этом процессе поверхности трущихся пар становятся гладкими, уменьшаются удельные контактные давления, коэффициент трения и количество выделяемого тепла. Образуется пара упругого контактирования. И тем более этот процесс устойчив, чем тверже порода. Такой процесс и получил название заполирование алмазного ПРИ.

Заполирование алмазов происходит обычно при несоответствии износостойкости матрицы или параметров режима бурения свойствам пород и главным образом их абразивности. Как правило, это наблюдается при бурении в сильно окварцованных породах: кварцитах, яшмах, роговиках и др. Заполирование алмазов в таких условиях существенно снижает эффективность работы алмазного ПРИ — резко уменьшается механическая скорость бурения вплоть до полного прекращения углубки на коронку и увеличивается расход алмазов.

Заполирование алмазов, таким образом, происходит в пределах упругой деформации породы. При этом наблюдается минимальный износ материала (поверхностное разрушение) при устойчивом значении коэффициента трения. В случае наличия между трущимися телами тонкой пленки графита, адсорбированных паров воды и других веществ коэффициент трения приобретает весьма малую величину. В таких условиях работы ПРИ сопротивление его движению определяется коэффициентом
Общие сведения об условиях работы алмазного породоразрушающего инструмента

где uп — коэффициент сопротивления тангенциальному перемещению ПРИ; uт — комплексный коэффициент трения.

При этом комплексный коэффициент трения uт слагается из двух составляющих:

где fм — механическая составляющая коэффициента трения; fa — молекулярная составляющая коэффициента трения.

Механическая составляющая коэффициента fм проявляется при разрыве внутренних связей в процессе разрушения тела. Оценивается этот коэффициент отношением h/r, где h — глубина внедрения резца, r — радиус условно сферической формы резца. Таким образом, величина fм зависит от нагрузки на резец.

Молекулярная составляющая fa коэффициента трения проявляется при формировании и нарушении молекулярных связей в точках касания трущейся пары, в которых происходит поверхностное (адгезионное) и внутреннее (когезионное) разрушение связей. Оценивается этот коэффициент безразмерной величиной отношения сдвигового сопротивления молекулярных связей т к пределу текучести oт материала — т/от. Этот показатель не зависит от нагрузки, но зависит от прочности материала.

Очевидно, увеличение fм за счет нагрузки является благоприятным фактором в устранении процесса заполирования алмазных резцов. С другой стороны, полезно снижать fa, как источник термонапряжений в ПРИ, за счет устранения шероховатостей на поверхности алмазных резцов при их овализации и полировании. При этом уменьшается fa с 0,51 до 0,1, повышается прочность алмазных резцов, что позволяет увеличивать нагрузку на ПРИ.

Итак, основным условием заполирования алмазного ПРИ является режим его работы, при котором не происходит объемного разрушения породы.

Критерием этого условия, как видно из приведенного анализа, принят коэффициент сопротивления движению ПРИ при его вращении. Минимальную величину uc = 0,2 принято считать порогом заполирования ПРИ. При uc > 0,2 процесс разрушения породы переходит в режим объемного, характеризующийся определенным уровнем эффективности, в частности, глубиной внедрения резцов h и величиной углубки забоя 5 за 1 оборот ПРИ. Последний параметр принимают за критерий при определении рациональных значений параметров режима бурения. Для разных условий (категория пород, зернистость алмазов и др.) есть минимальные величины этого показателя, характеризующие порог заполирования. По данным ВИТРа для пород VII—XII категорий по буримости он колеблется в пределах 0,015—0,034 мм/об.

Нормальный процесс работы ПРИ при бурении характеризуется значением uc = 0,2-0,4 (табл. 9.1).

Процесс аномального износа может начаться в период приработки ПРИ. Это связано с тем, что в начальный период работы ПРИ резцы выступают из матрицы на разную величину вследствие чего в контакте с породой находится только часть торцовых алмазов (менее 20%), которые и воспринимают всю осевую нагрузку. Если уровень нагрузки на каждый резец превысит критическую величину, алмазы могут быть быстро разрушены и в связи с этим в теле матрицы начнут формироваться кольцевые борозды. Поэтому в начальный период работы ПРИ осевую нагрузку на забой создают из расчета допустимой величины, при которой можно избежать разрушения алмазов. По мере увеличения количества зерен алмазов, вступающих в контакт с породой, осевую нагрузку увеличивают до уровня, который обеспечивает нормальный процесс работы ПРИ в режиме объемного разрушения породы.

Совокупным действием всех перечисленных факторов определяется режим работы бурового снаряда, который может быть благоприятным или оптимальным и неблагоприятным. В частности, неблагоприятный режим может характеризоваться появлением импульсных ударных нагрузок в высокочастотном режиме или вибрацией инструмента, что отрицательно сказывается на эффективности работы алмазного ПРИ. Неблагоприятное действие совокупности рассмотренных факторов может привести к снижению скорости бурения скважины, преждевременному выходу из строя ПРИ и повышению расхода алмазов на 1 м пробуренной скважины за счет его аномального износа.

Следовательно, технология бурения скважин алмазных ПРИ должна определяться с учетом большого количества факторов и достижения наибольшего эффекта. Такая технология получила название алмазосберегающей.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: