Разработка технологического регламента отработки коронок, армированных алмазно-твердосплавными пластинами

УДК 622.243 А.А. Третьяк

ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ Б УРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД КОРОНКАМИ,

АРМИРОВАННЫМИ АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ, ОТ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Рассмотрены основные технологические параметры при бурении горных пород коронками, армированными алмазно-твердосплавными пластинами (АТП). Показано влияние этих параметров на механическую скорость бурения.

Ключевые слова: коронки, технология бурения, механическая скорость бурения, категория по буримости, скважины, технологический регламент.

И /ри колонковом бурении горных .И пород средней твердости и твердых решающее влияние на механическую скорость бурения оказывает осевая нагрузка на коронку, частота вращения и количество промывочной жидкости. Выполненные экспериментальные исследования по бурению горных пород коронками, армированными АТП, показали, что увеличение осевой нагрузки, количества промывочной жидкости и частоты вращения способствуют росту механической скорости. Однако, увеличивать технологические параметры бурения желательно только до определенного предела, далее эффективного роста механической скорости не наблюдается, а отрицательные моменты могут быть (повышенный износ АТП, поломки инструмента, аварии). Поэтому при бурении горных пород нужно соблюдать оп-

тимальные параметры технологии бурения.

При практических расчетах осевой нагрузки пользуются удельным значением осевой нагрузки, приходящейся на один резец для коронок резцового типа или на одну вставку для самозатачивающихся коронок (табл. 1).

Расчет осевой нагрузки (даН) на твердосплавную коронку проводится по формуле:

р=рудт

где Руд - удельная осевая нагрузка, даН; т - число основных резцов или вставок в коронке.

Экспериментально установлено наличие трех областей разрушения пород при бурении горных пород коронками, армированными АТП (табл. 2, рис. 1) в зависимости от осевой нагрузки. При нагрузках на коронку до 26,5 кН функ-

Таблица 1

Удельная осевая нагрузка для разных типов коронок

Тип коронки Удельная нагрузка даН, при категории пород по буримости

VI VII VШ-IX

Д-112 АТП 120-140 140-160 160-180

Д-225 АПТ 120-140 140-160 160-180

V (р ) *

V г 1 < г/

♦

а ь с а

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Р'

Рис. 1. Зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки

Т аблица 2

Рациональные нагрузки для коронки, армированной А ТП

Тип коронки Категория по буримости Количество промывочной жидкости, л/мин Осевая нагрузка, кН Частота вращения, об/мин Механическая скорость бурения, м/час

Д225АТП VIII 225 10,0 280 1,5

Д225АТП VIII 225 14,8 280 2,0

Д225АТП VIII 225 18,0 280 3,4

Д225АТП VIII 225 22,9 280 4,3

Д225АТП VIII 225 26,5 280 6,2

Д225АТП VIII 225 30,0 280 8,4

Д225АТП VIII 225 32,0 280 9,8

Д225АТП VIII 225 36,4 280 10,4

Д225АТП VIII 225 39,0 280 11,0

Д225АТП VIII 225 42,4 280 10,9

Д225АТП VIII 225 46,0 280 10,8

ция Vm=f(Pд) практически прямолинейна, имеется некоторый рост механической скорости бурения. Здесь происходит поверхностное разрушение породы (область а-Ь). При дальнейшем увеличении нагрузки, когда нагрузка на коронку достигает 39 кН функция Vm=f(P) имеет степенной характер. Механическая скорость с ростом нагрузки увеличивается. Однако степень роста нагрузки опережает степень при-

роста механической скорости. Разрушение породы происходит здесь в усталостном режиме (область Ь-с).

При дальнейшем увеличении нагрузки на коронку прирост механической скорости достигает своего максимума при 39 кН. Дальнейшее увеличение осевой нагрузки до 46 кН не дает прироста механической скорости (область с^). Выполнять бурение в этой области нерацио-

Таблица 3

Зависимость частоты вращения от диаметра коронок

Наружный диаметр коронок, мм 93 112 132 151 164 184 225

Предельное значение частоты вращения, об/мин, не более 450 400 350 300 300 300 250

Таблица 4

Влияние частоты вращения коронки Д-225 АТП на механическую скорость бурения, категория буримости VIII

№ п/п Количество промывочной жидкости, л/мин Осевая нагрузка, кН Частота вращения, об/мин Механическая скорость бурения м/час

1 225 39 120 8,3

2 225 39 200 10,2

3 225 39 250 11,1

4 225 39 280 11,0

5 225 39 300 10,9

6 225 39 400 10,1

7 225 39 430 9.9

нально. Здесь разрушение происходит в объемном режиме.

Вести бурение при нагрузках более 39 кН нецелесообразно, так как это приводит к ряду осложнений, в частности, поломкам пластин АТП, искривлению стволов скважин, выходу из строя некоторых узлов бурового оборудования, например, обрыву бурильных труб.

Частота вращения бурового снаряда существенно влияет на показатели работы твердосплавных коронок. Эта зависимость имеет вид параболы. Рост частоты вращения повышает механическую скорость до определенного максимума, затем наблюдается снижение скорости бурения, которое, очевидно, связано с износом коронок. Максимум механической скорости бурения для каждого диаметра коронки соответствует различной частоте вращения. За критерий выбора оптимальной частоты вращения коронки принимается окружная скорость коронки, равная 1,4-1,5 м/с.

Необходимая частота вращения (об/мин) рассчитывается по известной формуле:

п = 60 ^кр/пВф,

где ^кр - окружная скорость коронки, м/с; Dcp - средний диаметр коронки, м,

Dcp = РгШ2У2,

где D1 D2 — наружный и внутренний диаметры коронки, м.

При бурении скважин самозатачивающимися коронками, частота вращения коронок приближается к значениям, близким для алмазного бурения.

Предельные частоты вращения не должны превышать следующих значений (табл. 3).

После просчета данных получаем оптимальную частоту вращения равную 250400 об/мин, что вполне приемлемо для данного оборудования.

При бурении коронки, армированными АТП во всех случаях установлено, что механическая скорость бурения увеличивается с увеличением частоты вращения коронки при сохранении неизменными других параметров режима бурения (табл. 4, рис. 2).

Из табл. 4 видно, что оптимальной частотой вращения для данных условия является 250-300 об/мин. Дальнейшее увеличение частоты вращения не приво-

ис. 2 Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения

дит к интенсивному увеличению механической скорости бурения.

Расход промывочной жидкости находят из рекомендуемого расхода в л/мин на 1 см диаметра коронки по формуле:

Q =К01 м3/с,

где К - удельный расход на 1 см диаметра коронки, л/мин; D1 - наружный диаметр коронки, см.

Величина К определяется опытным путем и приведена в табл. 5.

Из опытных данных видно, что увеличение производительности насоса НБ-32Б в диапазоне рабочих режимов (табл. 6) приводит к пропорциональному повышению механической скорости бурения при неизменных: категории пород VIII, нагрузке на коронку Д225 АТП-36 кН, плотность промывочной жидкости

Таблица 5

Конструкции коронок Категория пород по буримости Уд. расход,

V 12

Д-112 АТП VII 11

"УШ-К 11-10

V 12

Д-225 АТП VII 11

VIII-IX 11-10

равной 1,1 гм/см , частота вращения -280 об/мин.

Анализ рис. 3 показывает, что при бурении коронками Д-225АТП по горным породам VIII категории по буримо-сти имеет место оптимум по расходу промывочной жидкости в количестве 225 л/мин. При таком расходе механическая скорость достигает своего максимума (10,2 м/час). Далее увеличивать подачу промывочной жидкости не имеет смысла. Качество промывочной жидкости играет важную роль в процессе сооружения скважин с отбором керна. С учетом геологического разреза, простой конструкции скважин и опыта работ был принят для промывки скважин поли-мерглинистый раствор.

Состав раствора: бентонитовая глина -5-10 %, КМЦ 700/85 до 2 %, мылонафт - 0,5 %, остальное вода. Параметры раствора: плотность - 1,2 г/см3, вязкость 22-24 с, водоотдача 6-10 см3 за 30 минут.

Выполненные исследования позволяют сделать

Таблица 6

Изменение механической скорости бурения в зависимости от количества промывочной жидкости

Тип коронки Категория по буримости Количество промывочной жидкости, л/мин Механическая скорость бурения, м/час

Д225АТП VIII 100 6,4

Д225АТП VIII 150 8,5

Д225АТП VIII 180 9,6

Д225АТП VIII 200 9,8

Д225АТП VIII 225 10,2

Д225АТП VIII 280 10,0

Д225АТП VIII 360 9,8

„ у, ™/ч

1 1 ^ л/мин

Й 4

ю Iі! ^

с } 2 О 4 О 6 О 8 О 1С Ю 12 ІО Ю 1< 50 1£ ЗО 2С 50 2; >0 2<= Ю 2€ ,о 2 г 30 ЗС 50 з: >о 3^ го зс 30 3^

Рис. 3. Изменение механической скорости бурения в зависимости от количества промывочной жидкости

следующий выводы:

1. Увеличение осевой нагрузки с 30 до 39 кН приводит к росту механической скорости в 1,3 раза.

2. Увеличение частоты вращения буровой коронки в интервале 200-430 об/мин. приводит к росту механической скорости в 1,6 раза.

3. Установлено, что увеличение интенсивности промывки с 100 до

220 л/мин вызывает повышение механической скорости бурения горных пород коронками, армированными АТП в 1,6 раз.

4. Внедрение технологического регламента в практику буровых работ АК “Алроса”(ЗАО) позволило добиться увеличения механической скорости бурения более чем в два раза.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев Н.В. Разведочное бурение. - М., Недра, 2000.

2. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Алмазный породоразрущающий инструмент. ТулНИГП, 2005.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Третьяк Александр Александрович - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасского политехнического института), aleks andr_bngs @таП .га