книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

сопла с одинаковым профилем (№ 1 и № 2), но различной длиной

расширяющейся части. Это обстоятельство позволило в процессе исследований определить влияние длины сопла на эффективность разрушения горных пород двухфазным потоком.

Влияние геометрии сопла на скорость бурения горных пород двухфазным потоком представлено зависимостью скорости буре­ ния янцевского гранита от внутрикамериого давления при приме­ нении сопл с различными характеристиками. Известно, что внутри­ камерное давление при прочих равных условиях определяет энер-

превышает скорость, полученную при применении сопла № 2 с одно­

фазным потоком.

Анализ полученных зависимостей показывает, что геометрия сопла влияет на параметры истечения двухфазного потока и, со­ ответственно, на эффективность процесса разрушения горных по­ род. Увеличение длины сопла при прочих равных условиях позво­ ляет увеличить время ускорения частиц [69]. Последнее обстоя­ тельство ведет к возрастанию скорости их движения, при этом роль твердой фазы в процессе.разрушения породы возрастает. Экспери­ ментальные исследования подтвердили целесообразность примене­ ния для двухфазного потока сопла № 1 , геометрические параметры

которого были определены расчетным путем. Дальнейшие экс-

периментальные исследования проводились с применением этого сопла.

Большое влияние на эффективность разрушения горных пород оказывает угол встречи двухфазного потока с поверхностью, мас­ совая доля и размер твердой фазы. Определению оптимального угла встречи сверхзвуковой газовой струи с поверхностью забоя при термическом бурении посвящена работа [102]. Представляет интерес определение оптимального утла встречи сверхзвуковой

зависимость объемной скорости разрушения янцевского гранита от размера твердой фазы (рис. 43, б).

На рис. 44 изображена зависимость скорости бурения различ­ ных горных пород от массовой доли твердой'фазы при dT= 0,2X ХЮ~3 м, за исключением случая, когда воздействию двухфазного

потока подвергался гематито-магнетитовый роговик. Результаты бурения получены при применении в качестве твердой фазы квар­ цевого песка. Использование в качестве частиц металлической дроби диаметром (1,5—2) • ІО-3 м и металлических частиц непра­ вильной формы размером 2 ■10_3 м дает незначительное изменение

эффективности разрушения горных пород, а поэтому в дальнейшем для исследований в качестве твердых частиц применяли только кварцевый песок.

ХІО-3 и 7010~3 м. Породы разрушались в результате шелушения.

Увеличение массовой доли твердой фазы £т = 0,2-ъ0,4 ведет к уменьшению скорости бурения горных пород. Это объясняется

В результате этого основной составляющей энергии разрушения двухфазным потоком является энергия газового потока; роль твер­ дой фазы в процессе разрушения породы незначительна.

При воздействии двухфазного потока на породы, разрушение которых сопровождается частичным плавлением (токовский гра­ нит, гематито-магнетитовый роговик), вклад твердой фазы в про­ цесс разрушения более существен в связи с тем, что твердые ча­ стицы, являясь режущим инструментом, препятствуют процессу плавления породы, а это ведет к более высоким скоростям буре­ ния.

Твердые частицы подвергают абразивному износу самую тепло­ напряженную часть сопла — область критического сечения. Уста­ новлено, что после 30 ч работы сопла, изготовленного из стали Х28, критический диаметр, равный 12 - 10—3 м, увеличивается до 12,8- 10~3 м (при gT= 0,2-b0,3; АР = 4,9- ІО5 Н/м2).

Были проведены работы по определению буримости известняка при воздействии двухфазного потока. Как известно, известняк не разрушается однофазным потоком. При воздействии двухфазного потока происходит значительное ослабление прочности известняка, а динамическим действием твердых частиц — его разрушение.

Не меньшее значение на эффективность разрушения горных пород имеют еще три фактора: врезание крупных частиц в разру­ шаемую поверхность затруднено большим радиусом округления вершины и площадью контакта; более крупные частицы имеют •неправильную форму, что снижает эффективность удара из-за большого опрокидывающего момента;

крупные частицы менее прочны, как установлено испытанием их на раздавливание. Это связано с неоднородностью крупных частиц и большим отклонением их формы от шара.

Уменьшение прочности крупных частиц в несколько раз по сравнению с частицами малых размеров установлено для кварца, плагиоклаза, микроклина. Дальнейшее уменьшение размера частиц снижает эффект разрушения несмотря на то, что скорость их

в момент удара возрастает. Это связано с лучшим обтеканием препятствии частицами очень малого размера, меньшей разностью скоростей газовой и твердой фаз, что приводит к уменьшению угла встречи.

Если принять во внимание, что даже самые мелкие частицы достигают поверхности преграды, то уменьшение эффекта разру­ шения при наличии частиц очень малого размера молено объяс­ нить только недостаточным запасом энергии, которым они обла­ дают. При уменьшении размера частиц радиусы округления вер­ шин и ребер таюке уменьшаются, возрастает удельная нагрузка на единицу площади в зоне контакта и частицы врезаются в раз­ рушаемую поверхность при значительно меньших усилиях. Но для отделения мпкрообъема плохо буримой породы необходима еще сила, способная переместить режущий элемент (частицу) вдоль поверхности породы. Этой силой частица очень малого размера не обладает.

Подтверждением этому является неоднократно наблюдавшееся на поверхности известняка, железистого кварцита с прослойками глинистого сланца оседание мельчайших частиц в виде легкого налета. Внедрившиеся и застрявшие в поверхности породы ча­ стицы в дальнейшем из нее выбиваются другими частицами, в ре­ зультате этого эффективность удара снижается и разрушение ока­ зывается меньше.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что эффект разрушения горной породы (и других материалов) от динамиче­ ского воздействия твердой фазы будет определяться следующими условиями: соотношениями сил Pz и Рх — силы, прижимающей ча­ стицу к разрушаемой поверхности (Pz), и силы, перемещающей частицу вдоль поверхности (Л-ѵ), геометрией режущего элемента-—■ радиуса округления кромок и вершин частицы; положением ча­ стицы в момент удара и последующего ее движения; прочностью частицы; прочностью и пластичностью разрушаемой поверхности; кинетической энергией частицы в момент удара.

Перечисленные условия предопределяют: глубину и скорость внедрения частицы в разрушаемую поверхность; динамику тормо­ жения частицы при ударе; величину аэродинамической силы, дей­ ствующей на заторможенную частицу; объем деформируемой раз­ рушаемой поверхности; условия отделения микрообъема поверх­ ности; резание или только пластическое деформирование; темпе­ ратуру в зоне контакта; дробление частиц при ударе о поверхность и характер разрушения.

Эффективность разрушения горных пород двухфазным по­ током определяется также расстоянием от среза сопла термодина­ мического органа до разрушаемой поверхности. Практика терми­ ческого бурения свидетельствует о том, что на эффективность бурения горных пород большое влияние оказывает правильный вы­ бор расстояния I от среза сопла горелки до забоя.

Температурный режим нагрева горной породы зависит от ее

теплофизическнх свойств и тепловых параметров теплоносителя, которые изменяются по длине струи [101]. При воздействии сверх­ звукового однофазного потока на хорошо термобуримые породы

роды почти прекращается, а углубка шпура происходит медленно и в основном только за счет плавления породы.

Установлено, что для каждой породы, подвергающейся воздей­ ствию двухфазного потока, существует оптимальное расстояние от среза сопла до забоя. Для хорошо буримых пород (песчаник, янцевский гранит) максимальные скорости бурения получены при /= (5 0 — 60) • 10-3 м; для пород, у которых разрушение сопровож­ дается частичным плавлением, / = 40 -10-3 м.

Так как крайние линии тока частиц, вылетающих из сопла, представляют собой образующую конуса, вершина которого нахо­ дится где-то в районе критического сечения сопла, то удельная на­ грузка частиц на единицу площади забоя будет зависеть от рас­ стояния между соплом и разрушаемой поверхностью. С уменьше­ нием расстояния I удельная нагрузка частиц возрастает. Поэтому породы, имеющие легкоплавкие прослойки (гематито-магнетито- вые роговики) или породы с большим содержанием легкоплавких минералов (таковский гранит), наиболее эффективно разрушаются при /~ 40.• 1 0-3 м, так как диаметр конуса, образованного край­

ними линиями тока частиц, примерно равен минимальному проход­ ному диаметру скважины.

Для хорошо термобуримых пород увеличение расстояния I при­ водит к возрастании) площади воздействия твердой фазы; при этом эффективность разрушения породы повышается в основном за счет интенсификации теплообмена на границе газ—порода, а вклад динамического воздействия твердой фазы в процесс раз­ рушения незначительный. Увеличение площади воздействия твер­ дой фазы ведет к возрастанию скорости образования проходного диаметра шпура и, как следствие, скорости подачи термодинами­ ческого органа.

Приведенные экспериментальные зависимости получены при ис­ пользовании термодинамического органа со следующими главными геометрическими параметрами: диаметр критического сечения сопла 12-ІО“ 3 м; наружный диаметр 6210_3 м. При изменении

этих параметров получаются зависимости, которые в качественном отношении носят аналогичный характер.

К В Ы Б О Р У Р А Ц И О Н А Л Ь Н О Й Ф О Р М Ы Т В Е Р Д О С П Л А В Н Ы Х П Л А С Т И Н Д Л Я В Р А Щ А Т Е Л Ь Н О Г О

Б У Р О В О Г О И Н С Т Р У М Е Н Т А

18. Р А З Р У Ш Е Н И Е Г О Р Н Ы Х П О Р О Д П Р И Б У Р Е Н И И

Эффективность разрушения горных пород при механическом бурении зависит от их физико-механических свойств, конструкции, прочности и износостойкости твердосплавного породоразрушаю­ щего инструмента и режима бурения. Разрушение горных пород при бурении в основном связано с преодолением их твердости, прочности и абразивности. Прочность горных пород характеризу­ ется пределом прочности на сжатие, растяжение, изгиб и скалы­ вание (сдвиг, срез). Горные породы обладают высокой прочностью на сжатие и значительно меньшей на растяжение, изгиб и скалыва­

При бурении твердость обычно принимается за меру прочности породы и характеризуется как местная прочность на вдавливание. Твердость породы является основным критерием при определении рациональных режимов бурения и выборе типа и геометрической формы породоразрушающего инструмента.

Абразивность горных пород оценивается по износу контакти­ рующего с ней материала и увеличивается с возрастанием твердо­ сти минеральных зерен и их размеров. Породы из однородных по твердости зерен менее абразивны, чем породы с твердыми зернами на мягком цементе.

На величину износа влияют: свойства материала трущихся тел, род и характер трения, форма и размеры трущихся поверхностей, температура трущихся поверхностей, скорость трения, давление между телами, начальное состояние поверхностей, свойства про­ дуктов износа, среда, в которой происходит трение и т. п. По мере износа породоразрушающего инструмента изменяется его геомет­ рия, что приводит к изменению характера разрушения горной породы в отличие от первоначального, к снижению его производи­ тельности и к увеличению расхода энергии на разрушение еди­ ницы объема породы. На износ твердосплавного породоразрушаю­ щего инструмента влияют три основные группы факторов: при­ родные, технологические и технические.

Физико-механические свойства горных пород, а следовательно,

иих буримость зависят от минералогического состава, структуры

итекстуры, природы вещества, заполняющего поры, и от харак­ тера деформаций [56, 98, 99]. Механические характеристики одной

итой же горной породы могут значительно отличаться друг от друга в зависимости от направления деформирования относительно плоскостей напластования. По исследованиям проф. Э. Ф. Эпш­ тейна [99, 100] максимальные значения критического напряжения породы (песчаник, глинистый сланец) наблюдаются при внедрении

резца вкрест напластованию, средние — при внедрении резца па­ раллельно напластованию и минимальные — при внедрении резца перпендикулярно напластова­ нию.^

Упругие и пластические де­ формации, возникающие в по­ роде при бурении, зависят от прочности породы, скорости приложения и вида внешних усилий (сжатия, растяжения, изгиба, среза и т. д.), характе­ ра их приложения (одноцик­ личное, многоцикличное), дав­ ления, температуры и вида ок­ ружающей среды (глинистого раствора, воды, воздуха). В ре­ зультате действия этих факто­ ров разбуриваемая порода мо­

жет вести себя как пластическое или хрупкое тело. Характер раз­ рушения горной породы на забое скважины также зависит от формы применяемого породоразрушающего инструмента. В зависи­

поворотный), ударно-вращательный и вращательный способы бу­ рения.

При ударном бурении горная порода разрушается смятием и раздавливанием как в месте контакта с ней бурового инструмента, так и вблизи этого контакта. Разрушение имеет вид скола горной породы с поверхности, симметрично лезвию коронки (рис. 45, а) [4]. При бурении крепких горных пород частицы разрушенной по­ роды очень быстро вытесняются из-под лезвия коронки, в основ­ ном, под действием упругих сил, накопленных в объеме горной породы в процессе ее сжатия. При бурении мягких н вязких гор­ ных пород частицы разрушенной породы не успевают вытесняться из-под лезвия коронки и уплотняются (рис. 45, б ).

Площадь лунки выкола горной породы обычно значительно больше площади начального контакта лезвия коронки с породой (рис. 45, ß) Ширина лунки выкола увеличивается с глубиной внед­ рения лезвия коронки в породу и зависит от угла скалывания ßcРазрушенне горной породы под лезвием коронки при ударном внедрении происходит скачкообразно, а область распространения деформации (в виде остаточных трещин) меньше, чем при стати­ ческом внедрении. Проф. О. Д. Алимов [4] объясняет это явление значительными силами инерции разрушаемых частиц горной по­ роды при ударном внедрении инструмента, что приводит к мень­ шим областям деформирования и разрушению на поверхности

внепосредственной близости к лез­ вию буровой коронки. Роль трения

впроцессе ударного бурения во мно­ го раз меньше, чем при ударно-вра­ щательном и вращательном бу­ рении. Трение при ударном бурении возникает по граням коронки

В зависимости от крепости горной породы, размеров н геомет­ рии породоразрушающего инструмента проф. О. Д. Алимов по ха­ рактерным особенностям этого сочетания делит диапазон усилии подачи на три зоны.

I зона малых усилии подачи от 1 до 2,5 кН. В этом диапазоне усилий подачи процесс разрушения пород средней крепости и креп­ ких аналогичен процессу разрушения их при ударном (ударно-по­ воротном) способе. Разрушение горной породы на забое скважины происходит вследствие ударного воздействия породоразрушающего инструмента. В начале первой зоны при усилиях подачи, близких к нулю, объемная работа разрушения по величине равна объемной работе разрушения при ударном бурении (рис. 46). С повышением усилия подачи в этой зоне объемная работа разрушения увеличи­ вается, так как вращательное движение породоразрушающего ин­ струмента не приводит к увеличению объема разрушенной породы. При ударно-вращательном бурении пород в этой зоне сопротивле­ ние вращению инструмента больше, чем при вращательном спо­

собе бурения с тем же усилием. Это объясняется неровностью за­ боя скважины, вызванной ударами.

II зона усилий подачи от 1 до 7,5 кН при бурении пород сред­

ней крепости и от 2,5 до 12,5 кН при бурении крепких горных по­ род. В этой зоне разрушение горной породы на забое скважины

стружки, скалываемой после удара, с повышением усилия подачи увеличивается, а объемная работа разрушения уменьшается до минимальной. При ударно-вращательном способе бурения размеры отделяемых частиц породы больше, чем при вращательном буре­ нии с тем же усилием.

В III зоне при усилиях подачи свыше 7,5— 12,5 кН внедрение породоразрушающего инструмента происходит вследствие стати­ ческой нагрузки — усилия подачи, а разрушение горной породы осуществляется в основном за счет деформаций сжатия, среза и сдвига. Дополнительный подвод к забою скважины энергии удара на этих режимах обеспечивает меньшее преимущество ударно-вра­ щательного бурения по сравнению с вращательным, чем во второй зоне. Вследствие этого с увеличением усилия подачи в этой зоне объемная работа разрушения постепенно увеличивается (см. рис. 46).

При вращательном бурении с небольшими усилиями подачи, когда контактные давления значительно ниже предела прочности породы, имеет место поверхностное разрушение в основном за счет истирания породы породоразрушающим инструментом. Раз­ рушение породы на забое скважины происходит вследствие выкалывания небольших ее частиц, или усталостного разруше­ ния при деформировании режущей кромкой породоразрушающего инструмента. Скорость бурения на этих режимах незначи­ тельна, а затраты энергии и износ режущих кромок коронки большие.

При высоких усилиях подачи, когда контактные давления равны или выше предела прочности породы, наступает ее объемное скач­ кообразное разрушение. По мере движения резца перед его пе­ редней режущей гранью сначала происходят пластические дефор­ мации и отделение от забоя небольших частиц породы, часть ко­ торых удаляется, а часть — уплотняется передней гранью резца. Вследствие этого увеличивается площадь контакта породоразру­ шающего инструмента с породой.

Скол относительно крупной частицы породы произойдет послетого, как площадь контакта и усилие достигнут предельных зна­ чений, характерных для данного режима бурения, механических свойств породы и геометрии породоразрушающего инструмента. После скола относительно крупной частицы, вследствие дальней­ шего движения резца, происходит вновь отделение от забоя