Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологии алмазного бурения на основе изменения промывочной системы породоразрушающего инструмента

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии алмазного бурения на основе изменения промывочной системы породоразрушающего инструмента"

На правах рукописи

Ву Ван Донг

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1(5 МАЙ Ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005058273

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Гореликов Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты:

Мураев Юрий Дмитриевич

доктор технических наук, доцент, ФГБОУВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра начертательной геометрии и графики, профессор

Ивашев Вадим Корнилович

кандидат технических наук, ООО «Геодиагностика», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация - ФГБОУВПО «.Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе»

Защита состоится 29 мая 2013 г. в 18 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 2123.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 26 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Жйколаев

диссертационного совета^' / ""Николай Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

По особенности бурения все твердые горные породы можно разделить на плотные твердые IX - X категорий по буримости; твердые трещиноватые; плотные малоабразивные X - XII категорий по буримости. Проблеме алмазного бурения геологоразведочных скважин в указанных горных породах посвящены многие работы российских и зарубежных исследователей, в которых изучались такие важные при бурении скважин в твердых породах вопросы, как степень влияния трещиноватости горных пород на работоспособность коронок, влияние свойств разбуриваемых пород на заполирование алмазов, характерные виды износа алмазных коронок и причины их возникновения и др. При этом следует отметить, что по некоторым вопросам технологии бурения скважин в твердых горных породах различные авторы придерживаются прямо противоположных мнений. Это, например, относится к выбору параметров режима бурения и применению оптимальных типов алмазных коронок, к механизму заполирования алмазных коронок, к оценке влияния трещиноватости горных пород на механическую скорость бурения.

Актуальность проблемы бурения скважин в твердых горных породах в условиях региона Куанг Нинь (Вьетнам) определяется необходимостью внедрения в практику геологоразведочного бурения новых технических средств: буровых станков, съемных колонковых снарядов, более износостойкого алмазного породоразрушающего инструмента и т.д. Например, бурение в трещиноватых породах сопровождается частым самозаклиниванием керна, что не позволяет достаточно полно использовать современные технические особенности бурильных установок: удлиненный ход вращателя и высокие частоты вращения. Так, в сильнотрещиноватых породах максимальная проходка за рейс составляет 1,2 - 1,5м, в то время как ход подвижного вращателя равен Зм. В результате приходится преждевременно прекращать углубку скважины и выполнять спуско-подъемные операции, что приводит к существенному снижению технико-экономических показателей бурения.

Другой особенностью бурения скважин в твердых горных породах является многообразие форм аномального износа алмазных

коронок. Анализ видов износа алмазных коронок, отработанных в условиях региона Куанг Нинь, показывает, что 21% отработанных алмазных коронок снимаются с дальнейшей эксплуатации из-за заполирования алмазов и 12% из-за прижога. Кроме того, проявление этих форм аномального износа приводит к увеличению частоты спуско-подъемных операций ( СПО ), а в случае аварии в скважине (прижог) требуются значительные сроки на ее ликвидацию. Так как не всегда имеются условия для отработки заполированной коронки в более абразивных горных породах до полного его износа, то часто приходится снимать коронку с работы преждевременно, что ведет к

повышенному расходу алмазов.

Механизм возникновения прижога частично объясняется самозаклиниванием керна в матричном кольце коронки и в корпусе коронки. Как правило, самозаклинивание керна связывается с оседанием крупных частиц шлама, которые по мере их накопления перекрывают кольцевой зазор между керном и внутренней стенкой корпуса коронки, что вызывает нарушение циркуляции очистного агента и, соответственно, перегрев алмазного инструмента.

Заполирование как форма аномального износа связана с технологией бурения и способом разрушения горной породы. При вращательном бурении механизм разрушения горной породы определяется, в первую очередь, частотой вращения и нагрузкой на породоразрушающий инструмент. В зависимости от этих параметров процесс разрушения может иметь характер поверхностного истирания, усталостного или объемного разрушения. Наряду с этим существует еще ряд факторов и параметров, например: число алмазов, контактирующих с забоем скважины; величина углубки за 1 оборот коронки; объем межконтактного пространства пары «матрица-забой», которые также определяют механизм разрушения горной породы и заполирования.

Аналогичные проблемы имеют место при бурении скважин в различных геолого-технических условиях на месторождениях Российской Федерации. Решению этой проблеме посвящены работы многих исследователей: Д.П. Башкатова, Г.А. Блинова, Е.И. Быченкова, Л.К. Горшкова, Е.А. Козловского, А.И. Осецкого, П.П. Пономарева, А. В. Сахарова, Н.В. Соловьева и др.

Анализируя вышесказанное, можно отметить, что актуальность решения проблемы бурения скважин в твердых горных породах для месторождений Вьетнама связана, в первую очередь, с исследованием таких форм аномального износа алмазного породоразрушающего инструмента как: заполирование, трещины и сколы матрицы; изучением причин самозаклинивания керна, разработкой и внедрением в практику методов и технических средств для углубки скважины в твердых монолитных и трещиноватых породах.

Основу работы составили теоретические, экспериментальные и опытно-производственные исследования, выполненные автором, так и под его руководством и при его непосредственном участии.

Цель работы - повышение эффективности бурения твердых монолитных малоабразивных и трещиноватых горных пород.

Идея работы заключается в совершенствовании геометрии матрицы и промывочной системы алмазной коронки.

Задачи исследований.

1. Анализ конструктивных особенностей алмазных коронок, механизма их износа и технологии бурения твердых горных пород.

2. Разработка методики исследований, планирование эксперимента и выбор бурового оборудования для выполнения стендовых исследований.

3. Теоретические исследования и определение геометрии и параметров промывочных каналов, обеспечивающих удаление шлама и охлаждение коронки.

4. Разработка конструкции алмазной коронки и методических рекомендаций по бурению скважин в твердых горных породах, их опытно-промышленная оценка.

Методика исследований включала в себя анализ и обобщение литературных данных; планирование эксперимента, теоретические построения; стендовые исследования и статистический анализ экспериментальных данных, а также проверку на сходимость расчетных данных с экспериментальными данными. Планирование экспериментальных исследований и статистическая обработка материалов исследований проводилась с использованием компьютерной техники и технологий.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

1. Анализ современного состояния технологии и технических средств для бурения твердых горных пород, позволивший

сформулировать цель и задачи работ.

2. Методика исследований и определения конструктивных параметров алмазного породоразрушающего инструмента.

3. Аналитические исследования, определяющие оптимальные размеры промывочных каналов в корпусе алмазной коронки, а также время ликвидации заполирования и предупреждения прижога алмазных коронок.

4. Экспериментальные исследования породоразрушающего инструмента и опробование методических рекомендаций для бурения скважин в твердых горных породах.

Научная новизна работы заключается в установлении соотношений между геометрическими параметрами конусных промывочных каналов, выполняемых в корпусе алмазной коронки, а также между размерами частиц шлама и параметрами корпуса алмазной коронки, при которых обеспечивается эффективное удаление шлама; в установлении зависимости между параметрами режима бурения твердых пород и временем ликвидации заполирования алмазной коронки, исключающим возникновение прижога.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем теоретических исследований, обоснованным объемом экспериментальных исследований и удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- полученное аналитическое решение задачи о расчете параметров промывочных каналов применимо при инженерных расчетах по конструированию и выбору породоразрушающего инструмента для бурения твердых горных пород;

- разработанная и опробованная в стендовых условиях алмазная коронка со сплошным матричным кольцом и конусными промывочными каналами, выполненными в корпусе коронки, обладает повышенной износостойкостью матрицы;

- разработаные рекомендации по технологии бурения твердых горных пород с применением специальных алмазных коронок позволяют существенно улучшить технико-экономические показатели бурения в условиях месторождения Куанг Нинь (Вьетнам).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях студентов и молодых ученых СРВ (Ханой, 2011), на семинарах кафедры бурения НМСУ «Горный» (СПб, 2012); основные положения работы изложены в печатных издания Российской Федерации и в зарубежной печати.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 76 наименований. Материал диссертации изложен на 100 страницах машинописного текста и содержит 17 рисунков, 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы исследования, определяются задачи исследований и методика их решения.

Первая глава посвящена анализу существующих технологий и алмазных коронок для бурения скважин в твердых горных породах.

Твердость и трещиноватость горных пород оказывают наиболее существенное влияние на работу алмазных коронок. С увеличением степени трещиноватости пород работоспособность коронок всех существующих типов снижается. Причем влияние трещиноватости пород на работоспособность алмазной коронки в очень твердых породах проявляется гораздо сильнее, чем в менее твердых. Эта закономерность объясняется особенностями механизма разрушения трещиноватых горных пород.

При бурении трещиноватых пород в колонковом снаряде, формируются более крупные частицы шлама. Размер и количество частиц шлама, в первую очередь, зависят от внутреннего диаметра

колонковой трубы, диаметра столбика керна и параметров режима бурения.

Таким образом, условия работы алмазной коронки на забое скважины при бурении трещиноватых пород являются более сложными, чем при бурении плотных твердых пород. При этом часто наблюдается скол алмазов и секторов матрицы.

В свою очередь, при бурении твердых плотных пород часто

возникает заполирование алмазов.

Для ликвидации заполирования опытные бурильщики выключают на какое-то время буровой насос, что приводит к бурению «всухую» и алмазы снова приобретают режущие свойства.

Рассмотренные особенности технологии бурения учитываются при разработке конструкций алмазных коронок, предназначенных для бурения твердых монолитных малоабразивных и твердых трещиноватых горных пород. В зависимости от конструкций матрицы все эти коронки можно разделить на три основные группы: коронки со стандартной матрицей; коронки с утолщенной матрицей; коронки с

тонкой матрицей.

Следует отметить, что коронки с утолщенной матрицей не нашли широкого применения в практике, так как повышение прочности и стойкости коронки за счет увеличения толщины матрицы не является лучшим решением. Это приводит к увеличению объема разбуриваемой породы, увеличению энергозатрат и к снижению механической

скорости бурения.

Для уменьшения действия ударных нагрузок на набегающую часть секторов разработаны коронки со скошенной набегающей частью сектора - алмазные коронки типа БИТ. Выполнение секторов со скошенной набегающей частью позволяет снизить осевые нагрузки на коронку и за счет этого уменьшить ударные воздействия на алмазы и матрицу. Это повышает эффективность работы породоразрушающего инструмента в трещиноватых породах, но не устраняет самозаклинивание керна и скалывание секторов матрицы.

Во второй главе изложена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований, методика обработки экспериментальных данных и проверка сходимости расчетных и

экспериментальных данных. Определена методика опытно-промышленной проверки полученных рекомендаций.

В третьей главе приведены теоретические исследования по выявлению оптимальной конструкции алмазной коронки для бурения твердых горных пород. Исходными предпосылками являлись существующие методики оценки температурного фактора при работе алмазного породоразрушающего инструмента. Определен диаметр промывочных каналов, выполняемых в корпусе коронки и их форма. С использованием специальной физической модели исследовался механизм удаления шлама с забоя скважины и транспортировка его по затрубному пространству на дневную поверхность.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований в стендовых условиях при бурении опытной коронкой со сплошной матрицей и промывочными каналами, выполненными в корпусе коронки, приведен анализ результатов и их обработка, представлены результаты опытно-промышленной оценки методических рекомендаций по бурению скважин в твердых горных породах.

Заключение отражает обобщенные результаты исследований.

Первое защищаемое научное положение. Для обеспечения эффективного охлаждения матрицы и удаления шлама при самозаклиниванин керна дополнительные промывочные каналы выполняются над матрицей конусными к наружной поверхности корпуса коронки при условии, что начальный диаметр промывочных каналов равен толщине стенки корпуса коронки.

Наличие таких дополнительных каналов в корпусе коронки будет способствовать увеличению проходки за рейс. Это объясняется тем, что шлам, который образуется в колонковой трубе и в короночном кольце, будет удаляться через конусные промывочные каналы и в случае самозаклинивания керна в короночном кольце или в матрице очистной агент будет беспрепятственно проходить через конусные промывочные каналы. Эти каналы рекомендуется выполнять в корпусе коронки непосредственно над матрицей. В связи с этим возникает первая задача - определение диаметра каналов. Вторая задача -определить расстояние от торца матрицы до этих промывочных каналов.

Первая задача решалась на основе известных уравнений для расчета температуры на торце матрицы (работы Горшкова Л.К.). Основными предпосылками для решения первой поставленной задачи

являются следующие положения:

1. При разрушении горной породы шлам из-под торца коронки удаляется в затрубное пространство под действием центробежных сил, возникающих при вращении бурового снаряда.

2. Промывочные каналы должны обеспечивать эффективное удаление крупных частиц шлама из области короночного кольца и

эффективное охлаждение матрицы.

3. Площадь торца матрицы /м должна оставаться постоянной^

4. Температура г на торце матрицы должна быть минимальной. В результате получено следующее выражение для диаметра

промывочных каналов:

где г,, г2 - наружный и внутренний радиусы корпуса коронки, м; с/в и с/„ - соответственно внутренний и наружный диаметр радиальных промывочных каналов, выполняемых в корпусе коронки.

Первое условие беспечивает эффективное охлаждение матрицы алмазной коронки, второе - обеспечивает непрерывную циркуляцию очистного агента и удаление шлама через промывочные каналы в корпусе коронки при самозаклинивании керна в колонковом наборе, а за счет конусности каналов исключается их перекрытие крупными частицами шлама. На рисунке 1 показана коронка, отвечающая

поставленным условиям.

Для решения второй задачи была выдвинута гипотеза, что из-под торца матрицы шлам удаляется за счет действия центробежных сил, возникающих при вращении бурового снаряда и поднимается по затрубному пространству на некоторую высоту К а далее шлам подхватывается очистным агентом и транспортируется на дневную поверхность. Для определения высоты подъема шлама по затрубному пространству за счет вращения алмазной коронки были проведены стендовые исследования.

А,-

Рисунок 1 - Опытная коронка, в корпусе которой выполнены конусные промывочные каналы:

1 - матрица коронки, 2 - корпус коронки, 3- конусный промывочный канал; Г>к- наружный диаметр корпуса коронки, м;

Им — наружный диаметр матрицы коронки, м; И - расстояние от торца матрицы до осевой линии промывочных каналов, м.

Для этого была изготовлена шнековая колонковая труба и алмазная коронка с укороченным корпусом (рисунок 2), позволяющие вести бурение «всухую». Бурение начиналось с минимальной частоты вращения 200 об/мин и осевой нагрузки на коронку 300 даН. Шлам транспортировался шнековой колонковой на дневную поверхность. При дальнейшем увеличении частоты вращения до 800 об/мин и осевой нагрузки до 600 даН наблюдался повышенный износ опытной алмазной коронки без развития прижоговой ситуации. Это объясняется тем, что шлам не скапливается в затрубном пространстве, удаляется на дневную поверхность шнеком и не приводит к спеканию матрицы с забоем скважины.

При бурении серийной коронкой (со стандартной высотой

Рисунок 2 - Шнековая колонковая труба и алмазная коронка после бурения:

1 - шнековая труба; 2 - алмазная коронка

корпуса) шлам на поверхность не поднимался, возникал прижог коронки.

В результате выполненных исследований подтверждено, что за счет вращения бурового снаряда шлам из-под торца матрицы по затрубному пространству поднимается на высоту к, которая соответствует условию

К < И < К + К

(2)

где Нм - высота матрицы, м; кК - высота корпуса коронки, м.

Следовательно, дополнительные промывочные канала для дальнейшей транспортировки шлама очистным агентом можно выполнять непосредственно над матрицей коронки согласно условиям 1 и 2.

Второе защищаемое положение. Наличие промывочных каналов в корпусе коронки позволяет восстановить циркуляцию очистного агента после ликвидации заполирования бурением «всухую» в соответствии с расчетным временем и предупреждать развитие прижога алмазной коронки.

Довольно часто при бурении малоабразивных очень твердых пород возникает заполирование алмазов. Часто это приводит к прижогу алмазных коронок, так как в процессе ликвидации заполирования (бурением «всухую») шлам перекрывает промывочные каналы в матрице (рисунок 3) и восстановить циркуляцию очистного агента

невозможно, а матрица коронки, как видно на рисунке 3, остается в рабочем состоянии.

Рисунок 3 - Алмазная коронка с промывочными каналами, перекрытыми шламом (при бурении «всухую»)

Исходя из этого, для бурения твердых горных пород, вызывающих заполирование алмазов, предлагается алмазная коронка, показанная на рисунке 1. Особенностью конструкции являются конусные промывочные каналы, выполненные в корпусе коронки. Такое выполнение промывочных каналов позволяет беспрепятственно восстанавливать циркуляцию промывочного агента при ликвидации заполирования заточкой коронки «всухую» и не приводит к самозаклиниванию шлама в этих промывочных каналах. В связи с этим решалась задача определения времени ликвидации заполирования, после которого матрица коронки остается работоспособной.

При расчете использовался метод тепловых источников. Температурное поле, возникшее под действием инструмента на породу, рассматривается как результат сложения температурных полей, возникающих под действием точечных мгновенных источников тепла. С учетом допущения, что вся механическая работа алмазной коронки переходит в тепловую, получим уравнение для расчета времени ликвидации заполирования (или время бурения всухую»):

f \2 ism

7-Vr= ' (3)

где S - площадь матрицы, м2; F - осевая нагрузка, кН; п - частота вращения коронки, мин'1; Г - температура начала прижога,°С; X -коэффициент теплопроводности матрицы коронки, Вт/м °С; гср -средний радиус матрицы породоразрушающего инструмента, м; со -коэффициент температуропроводности, м2с; ft - коэффициент трения матрицы о горную породу.

Расчет по приведенной формуле (3) выполняется при следующих допущениях:

- температура начала прижога - 800 °С ;

- из-за наличия шлама контакт коронки с забоем осуществляется по всей площади торца матрицы;

- коэффициент трения не зависит от параметров режима бурения и для заполированного алмазного породоразрушающего инструмента составляет 0,03 - 0,06.

В таблице 1 приведены результаты расчета времени предупреждения заполирования, при котором исключается возникновение прижога алмазных коронок.

На основе выполненных исследований разработаны методические рекомендации по бурению скважин в твердых горных породах.

1. Согласно геолого-техническому наряду устанавливается осевая нагрузка на коронку (определяется в соответствии с существующими рекомендациями для бурения трещиноватых пород при показателе степени трещиноватости, равном единице).

2. Согласно геолого-техническому наряду устанавливается частота вращения (в соответствии с существующими рекомендациями для бурения трещиноватых пород при коэффициенте учета количества трещин равном единице).

Таблица 1 - Результаты расчета времени ликвидации заполирования

Лнаметп алмазных коронок, мм

Осевая 59 1 76 1 93

нагрузка Частота вращения, мин

на коронку, 400 600 800 400 600 800 400 600 800

даН Время заточки коронок, с

1000 115 73 51 126 81 56 165 106 73

1200 80 51 35 87 56 39 115 73 51

1400 58 37 26 64 41 28 84 54 37

1600 45 28 20 49 31 21 64 41 28

3. В корпусе серийных алмазных коронок выполняются конусные промывочные каналы. Начальный диаметр промывочных

каналов выбирается в соответствии с условием его равенства

толщине корпуса коронки.

4. По показаниям амперметра (в цепи электропривода бурового станка) и манометра (в нагнетательной линии промывочной системы)

контролируется процесс бурения.

При бурении в твердых малоабразивных породах в случае возникновения заполирования, в зависимости от параметров^ режима бурения, на расчетное время выключается промывочный насос. Возникшее заполирование алмазной коронки устраняется без развития прижога , так как циркуляция очистного агента восстановится согласно расчетному времени через промывочные каналы, выполненные в корпусе коронки, что позволит продолжать бурение.

Опробование разработанных рекомендаций проводилось в стендовых условиях и при бурении плановых скважин на месторождениях региона Куанг Нинь. Условия бурения: твердый трещиноватый песчанник 1Х-Х1 категорий по буримости, малоглинистый буровой раствор. Опытные и серийные коронки -импрегнированные, диаметр 59 мм, количество - 4 шт в каждой группе.

Параметры режима бурения: осевая нагрузка на коронку - 9001100 даН; частота вращения бурового снаряда - 400-600 мин . В

корпусе опытных коронок выполнялись дополнительные конусные промывочные каналы.

В таблице 2. приведены полученные данные по видам износа опытных и серийных алмазных коронок.

Таблица 2 - Сравнительная оценка износа коронок

Тип коронки Виды износа

фаска по наружному диаметру скол секторов фаска по торцу матрицы полный износ матрицы всего коронок

Опытная 1 - - 3 4

Серийная 1 1 2 0 4

Как следует из данных таблицы 2, для опытных коронок, в основном, наблюдался нормальный износ матрицы. Для серийных коронок характерны скол секторов матрицы, наличие фасок по наружному диаметру и торцу матрицы. Проходка за рейс для опытных коронок составила 7,25 м, механическая скорость бурения - 2,8 м/ч. Для серийных коронок проходка за рейс составила 6,0 м, механическая скорость бурения составила - 2,4 м/ч. В результате исследований был выявлен механизм увеличения проходки за рейс и механической скорости бурения при бурении опытными коронками. При бурении опытными коронками при самозаклинивании керна в колонковом наборе очистной агент продолжает циркулировать через дополнительные промывочные каналы, выполненные в корпусе коронки. В результате этого не отмечалось увеличение давления в нагнетательной линии промывочной системы, и не было необходимости выполнять разгрузку бурового снаряда. Режим работы коронки практически не меняется, обеспечивается стабильное охлаждение матрицы. При бурении серийной коронкой в случае самозаклинивания керна коронка практически работает в режиме "сухого" трения до тех пор, пока в результате самоликвидации самозаклинивания керна восстанавливается циркуляция очистного

агента. Так как такие условия работы коронки могут привести к прижогу, необходимо своевременно выполнять разгрузку бурового снаряда, что ведет к снижению механической скорости бурения. Следует отметить, что отличительной особенностью износа опытных коронок являются следы абразивного воздействия шлама на корпус коронки. Шлам, образующийся в данном случае, не попадает снова под торец алмазной коронки, а выносится через отверстия в корпусе коронки. В результате выполненных исследований установлено, что наличие дополнительных промывочных каналов в корпусе алмазных коронок способствует повышению их работоспособности за счет того, что при бурении опытными коронками в трещиноватых горных породах при самозаклинивании керна в коронке циркуляция очистного агента и охлаждение алмазных коронок не нарушается. При этом упрощается управление процессом углубки скважины, исключаются непроизводительные затраты времени, связанные с ликвидацией самозаклинивания керна при бурении серийными коронками.

На конечном этапе исследований выполнялись эксперименты в стендовых условиях по бурению твердых малоабразивных горных пород, вызывающих заполирование алмазных коронок. Бурение велось по блоку плотного малоабразивного гранита X—XI категорий по буримости алмазными однослойными коронками. Для серийных коронок после заточки «всухую» циркуляция очистного агента не восстанавливалась, в промывочных каналах наблюдался спекшийся буровой шлам. В опытных коронках циркуляция очистного агента восстанавливалась за счет промывочных каналов, выполненных в корпусе коронки, матрица оставалась в работоспособном состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Существенное влияние на механизм износа алмазных коронок при бурении твердых горных пород оказывают такие свойства горных пород, как их трещиноватость и абразивность.

2. Наиболее частыми видами износа матрицы секторных алмазных коронок при бурении трещиноватых горных пород являются

скалывание секторов и образование трещин в матрице, при бурении малоабразивных горных пород - заполирование алмазов.

3. При бурении трещиноватых пород в колонковом снаряде формируются более крупные частицы шлама: от 4 до 8 мм. В целом, размер частиц и объем образующегося шлама, первую очередь, зависят от внутреннего диаметра колонковой трубы, диаметра столбика керна и параметров режима бурения.

4. Механизм возникновения прижога частично объясняется самозаклиниванием керна в матричном кольце коронки и в корпусе коронки. Как правило, самозаклинивание керна связывается с созданием крупных частиц шлама, которые по мере их накопления перекрывают кольцевой зазор между керном и внутренней стенкой корпуса коронки, а вместе с ним и промывочные каналы в матрице, что вызывает нарушение циркуляции очистного агента и, соответственно, перегрев алмазного инструмента.

5. Существующие конструкции алмазных коронок не обеспечивают эффективное удаление шлама, образующегося в области короночного кольца на границе с матрицей, вследствие чего возникает самозаклинивание керна и прекращение циркуляции очистного агента, а крупный шлам вторично переизмельчается под торцом матрицы .

6. Для повышения износостойкости и работоспособности алмазной коронки для бурения твердых горных пород целесообразно матрицу выполнять в виде сплошного кольца (без промывочных каналов), а промывочные каналы выполнять в форме конусных отверстий в корпусе коронки непосредственно над матрицей.

7. Для обеспечения эффективного удаления шлама и охлаждения сплошной матрицы коронки диаметр радиальных промывочных каналов, выполняемых в корпусе коронки, должен выбираться из условия (, где Г - толщина стенки корпуса коронки, а для исключения заклинивания в них частиц шлама, каналы должны бать конусными с расширением к наружной поверхности корпуса коронки.

8. Установленная зависимость времени ликвидации заполирования от конструктивных параметров коронки и параметров режима бурения позволяет выполнять заточку коронки на забое скважины без возникновения прижоговой ситуации.

9. При бурении трещиноватых горных пород опытными коронками, в отличие от бурения серийными коронками, характерно незначительное колебание механической скорости относительно ее среднего значения.

10. Предлагаемые методические рекомендации способствуют повышению износостойкости матрицы и механической скорости бурения за счет исключения операции «расходки» бурового снаряда при бурении трещиноватых горных пород и предупреждения заполирования при бурении малоабразивных пород.

11. Для дальнейшего развития технологии бурения твердых пород необходимо продолжить исследования механизма удаления шлама как из-под торца сплошной матрицы, так и через радиальные промывочные каналы в корпусе алмазной коронки.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

1. Ву Ван Донг. Анализ технологических особенностей алмазного бурения твердых горных пород / В.Г. Гореликов, Ву Ван Донг // Записки Горного института. - СПб.: РИЦ Горного университета, 2011.-Т. 189. - С. 179-181.

2. Ву Ван Донг. Анализ и выбор конструктивных параметров алмазных коронок / М.Ю. Насонов, В.Г. Гореликов., Ву Ван Донг // -Кемерово. Вестник КузГТУ. 2012, № 3. - С. 36 39.

В прочих изданиях:

3. Ву Ван Донг. Выбор параметров промывочной системы алмазных коронок для бурения твердых горных пород / В.Г. Гореликов, Ю.В. Лыков, Ву Ван Донг // Горная механика и машиностроение. 2012, №2. - С. 52-55.

4. Ву Ван Донг. Обеспечение экологической чистоты при бурении геологоразведочных скважин / JI.K. Горшков, В.Г. Гореликов, Нгуен Суан Тхао, Ву Ван Донг // Экология и развитие общества. -СПб.: МАНЭБ, 2011, № 3-4. - С. 75-78.

5. Ву Ван Донг. Выбор конструктивных параметров алмазных коронок для бурения твердых горных пород / В.Г. Гореликов, Ю.В. Лыков, Ву Ван Донг// Сб. научн. статей. Улаанбаатор хот. 2012. - С 177-183.

РИЦ Горного университета. 25.04.2013. 3.226 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ву Ван Донг, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА

Специальность 25.00.14 — Технология и техника геологоразведочных работ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201358?

Ву Ван Донг

Научный руководитель: д.т.н, с.н.с. В.Г. Гореликов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 4

Глава 1 АНАЛИЗ АЛМАЗНЫХ БУРОВЫХ КОРОНОК И ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.............. 15

1.1. Классификация твердых горных пород в зависимости от особенностей их бурения...................................................... 15

1.2 Особенности и закономерности технологии бурения твердых пород..................................................................... 17

1.3 Классификация алмазных коронок для бурения твердых горных пород..................................................................... 22

1.4 Анализ и классификация видов износа алмазных коронок при бурении скважин в твердых горных породах....................... 29

1.5 Выводы по главе 1. Задачи исследований...................... 36

Глава 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.................................. 40

2.1 Методика анализа и классификации износа алмазных коронок............................................................................ 40

2.2 Методика исследований механизма заполирования и прижога............................................................................ 41

2.3 Планирование эксперимента...................................... 44

2.4 Определение числа опытов......................................... 46

2.5 Экспериментальные исследования и обработка данных..... 47

Глава 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.............. 52

3.1 Теоретические расчеты и выбор конструкции алмазной коронки.............................................................................. 52

3.2 Исходные предпосылки для расчета времени ликвидации заполирования алмазных коронок............................................. 56

3.3 Исследование и расчет времени ликвидации

заполирования и предупреждения прижога алмазных коронок.......... 57

3.4 Методические рекомендации по технологии бурения

твердых горных пород........................................................ 60

3.4 Выводы по главе 3..................................................... 62

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.................................. 64

4.1 Изготовление опытного образца алмазной

коронки............................................................................. 64

4.2 Стендовые исследования механизма удаления шлама при бурении твердых горных пород............................................... 65

4.3 Экспериментальные исследования процесса бурения трещиноватых пород в стендовых условиях....................................72

4.4 Экспериментальные исследования технологии алмазного бурения в твердых малоабразивных породах............................... 80

4.5 Экспериментальные исследования и оценка в производственных условиях методических рекомендаций по бурению трещиноватых пород............................................................. 83

4.6 Выводы по главе 4....................... ............................. 87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................ 90

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................... 92

ВВЕДЕНИЕ

По особенности бурения все твердые горные породы можно разделить на твердые трещиноватые, плотные твердые горные породы IX - X категорий по буримости и плотные малоабразивные твердые породы XI - XII категорий по буримости. Проблеме алмазного бурения геологоразведочных скважин в таких горных породах посвящено много различных работ российских и зарубежных исследователей [1, 10, 25, 28, 29, 30, 37, 38, 39, 43, 53].

В указанных работах изучались такие важные при бурении в твердых породах вопросы, как степень влияния трещиноватости горных пород на работоспособность коронок, влияние разбуриваемых пород на заполирование алмазов, характерные виды износа алмазных коронок и причины их возникновения и др. При этом следует отметить, что по некоторым вопросам бурения в твердых горных породах различные авторы придерживаются прямо противоположных мнений. Это, например, относится и к механизму заполирования алмазных коронок, к влиянию трещиноватости горных пород на механическую скорость бурения , к выбору и применению оптимальных типов алмазных коронок, режимов бурения и т. д. Рассмотрим более детально актуальность проблемы бурения скважин в твердых горных породах.

В первую очередь это связывается с созданием и внедрением в практику геологоразведочного бурения новых технических средств: буровых станков, съемных колонковых снарядов, более износостойкого алмазного породоразрушающего инструмента и т.д. Отличительной особенностью новых буровых станков является плавное регулирование частоты вращения бурового снаряда и увеличенный (до 3 м) ход вращателя.

Однако эффективное использование преимуществ этих буровых установок нивелируется высокой трещиноватостью горных пород.

Трещиноватость горных пород - характерная особенность структурного сложения породы, непосредственно связанная с происхождением и последующей жизнью той или иной геологической формации. Она может быть обусловлена различными причинами, основными из которых являются тектонические процес-

сы, метаморфическими процессы и процессы выветривания. По степени трещино-ватости выделяют следующие группы пород [51, 53]:

-слаботрещиноватые породы (ширина трещин меньшие 1мм); -среднетрещиноватые породы (ширина трещин 1-5мм); -сильнотрещиноватые породы (ширина трещин больше 5мм); -очень сильнотрещиноватые породы (керн раздроблен и представлен угловатыми обломками).

Проведенные рядом исследователей работы позволили выявить факторы, которые оказывают наибольшее влияние на работоспособность алмазных коронок, выход и качество керна при бурении в трещиноватых породах. По своему характеру все эти факторы могут быть объединены в три группы: геологические, технические и технологические [1, 51, 53].

Степень влияния каждой группы факторов на показатели алмазного бурения не одинакова. Внутри каждой группы могут быть выделены основные и второстепенные факторы. Так, к основным факторам геологического характера, оказывающим наиболее сильное влияние на работоспособность алмазных коронки и выход керна при бурении, относятся, в первую очередь, такие свойства пород, как трещиноватость и твердость. Причем влияние этих факторов проявляется в тесном взаимодействии друг с другом. Поэтому, анализируя влияние трещиноватости породы на процесс алмазного бурения, нельзя забывать о ее твердости, и наоборот. Все остальные факторы геологического характера будут иметь второстепенное значение. Так, например, абразивность горной породы будет изменяться по мере изменения трещиноватости породы. Сильнотрещиноватые раздробленные породы повышают ее общую абразивность. Перемежаемость пород по твердости также можно рассматривать как частный случай бурения по породе с постоянно меняющейся твердостью. Причем в этом случае сами трещины и микротрещины в породе можно рассматривать как прослойки с нулевой твердостью, а трещиноватую породу - как слоистую породу с различными физико-механическими свойствами прослоек [53].

К основным факторам технического характера следует отнести ряд функциональных и конструктивных элементов самих алмазных коронок, наличие которых в коронке в том или ином виде оказывает на ее работоспособность в трещиноватых породах заметное влияние. В первую очередь, это геометрия матрицы коронки и промывочных каналов, прочность или твердость матрицы, качество и зернистость объемных алмазов, и насыщенность матрицы алмазами [4, 6, 9, 12, 13, 14,31,34,35,36].

К факторам технологического характера относятся применяемые в породах различной трещиноватости и твердости режимы бурения и выбор оптимального типа породоразрушающего инструмента.

На рисунке 1 показаны типичные для месторождений Вьетнама твердые среднетрещиноватые горные породы. На рисунке 2 - сильнотрещиноватые горные породы.

На слабо- и среднетрещиноватые горные породы приходится 52 % от общего объема бурения. Как правило, это породы 1Х-Х1 категорий по буримости.

Основные виды износа алмазных коронок при бурении таких пород - канавки по торцу матрицы, сколы секторов матрицы.

Рисунок 1 - Среднетрещиноватые породы

Рисунок 2 - Сильнотрещиноватые породы

Бурение в таких породах сопровождается частым самозаклиниванием керна, что не позволяет достаточно полно использовать технические особенности бурильных установок: удлиненный ход вращателя и высокие частоты вращения. Так в сильнотрещиноватых породах максимальная проходка за рейс составляет 1,2 -1,5м, в то время как ход подвижного вращателя равен Зм. В результате приходится преждевременно прекращать углубку скважины и выполнять спуско-подъемные операции, что приводит к существенному снижению технико-экономических показателей бурения.

Другой особенностью бурения скважин в твердых горных породах является многообразие форм аномального износа алмазных коронок. Анализ исследований [7, 20, 59] показывает, что 15% отработанных алмазных коронок снимаются с дальнейшей эксплуатации из-за заполирования алмазов и 10% из-за прижога. Кроме того, проявление этих форм аномального износа приводит к увеличению частоты спуско-подъемных операций ( СПО ), а в случае аварии в скважине требуются значительные сроки на ее ликвидацию. Так как не всегда имеются условия для дальнейшей отработки заполированной коронки в более абразивных горных породах до полного ее износа, то часто приходится снимать коронку с

работы преждевременно, что ведет к повышенному расходу алмазов. Стремясь ликвидировать заполирование, бурильщик выполняет « заточку » коронки на забое скважины. Часто это приводит к прижогу алмазного породоразрушающего инструмента; прижог возникает и при бурении в твердых трещиноватых породах 1Х-ХП категорий по буримости. В 20% случаев прижог и прихваты являются причиной различных аварий в скважине [59]. Особенно часто прижог алмазных коронок имеют место при высокоскоростном бурении. Характерными видами аварий при бурении на месторождениях Северо-Востока России являются обрыв бурильных труб, прижог коронок, прихват снаряда [1, 26]. Аварии, свзанные с прижогом алмазных коронок, характерны и при бурении скважин на месторождениях района БАМа [26]:

Механизм возникновения прижога частично объясняется самозаклиниванием керна в матричном кольце коронки и в корпусе коронки. Как правило, самозаклинивание керна связывается с оседанием крупных частиц шлама, которые по мере их накопления перекрывают кольцевой зазор между керном и внутренней стенкой корпуса коронки, а вместе с ними и промывочные каналы в матрице, что вызывает нарушение циркуляции очистного агента и, соответственно, перегрев алмазного инструмента.

Заполирование и прижог, как формы аномального износа, связаны с технологией бурения и способом разрушения горной породы. При вращательном бурении механизм разрушения горной породы определяется, в первую очередь, частотой вращения и нагрузкой на породоразрушающий инструмент. В зависимости от этих параметров процесс разрушения может иметь характер поверхностного истирания, усталостного или объемного разрушения . Наряду с этим существует еще ряд факторов и параметров, например, число алмазов, участвующих в разрушении; величина углубки алмазов; объем межконтактного пространства пары «матрица-забой», которые также определяют механизмы разрушения горной породы, заполирования и прижога.

Аналогичные проблемы имеют место при бурении скважин в различных reo лого-технических условиях на месторождениях Вьетнама.

Так в таблице 1 приведены объемы бурения по различным месторождениям в монолитных и горных породах различной степени трещиноватости.

Таблица 1 - Распределение объемов алмазного бурения

Твердые горные породы Объемы алмазного бурения, % В том числе, по категориям горных пород по буримости

1Х-Х Х1-П

Монолитные 30 20 10

Слаботрещиноватые 32 24 8

Трещиноватые 22 15 7

Сильнотрещиноватые 10 5 5

Весьма и исключительно сильнотрещиноватые 6 4 2

Всего: 100 68 32

Из анализа данных таблицы 1 видно, что 30% бурения приходится на монолитные горные породы и 70% объемов алмазного бурения приходится на трещиноватые горные породы.

В таблице 2 приведены результаты анализа видов износа алмазных коронок при бурении скважин в твердых горных породах на месторождениях Вьетнама. Анализировались три группы алмазных коронок: импрегнированные, однослойные и коронки для снарядов со съемными керноприемниками, по 100 шт коронок в каждой группе. Как видно из анализа данных таблицы 2, 21% алмазных коронок снимается с дальнейшей эксплуатации по причине заполирования, 12%

по причине прижога и 15% по причине наличия трещин и сколов матрицы коронок.

Таблица 2 - Виды износа алмазных коронок

Вид износа Распределение видов износа по типам коронок (%)

Импрегнированные Однослойные Коронки для ССК

Равномерный 25 22 28

Износ по диаметру 9 7 12

Заполирование 6 8 7

Прижог 7 4 1

Образование канавок 45 39 46

Трещины и сколы матрицы 3 8 4

Прочие виды 5 2 2

Итого 100 100 100

В таблице 3 приведены технико-экономические показатели алмазного бурения в монолитных и трещиноватых горных породах. Как следует из анализа данных таблицы 3, при бурении в трещиноватых породах имеет место меньшая проходка за рейс, меньшая механическая скорость бурения и больший расход

Таблица 3 - Результаты отработки алмазных буровых коронок диаметром 76 мм в плотных и трещиноватых горных породах

Тип алмазной коронки Степень трещино-ватости пород Проходка на коронку, м Проходка за рейс, м Расход алмазов, карат/м Механическая скорость бурения, м/ч

Однослойные Плотные 15,5 2,6 0,91 2,01

Трещиноватые 11,6 2Д 1,20 1,70

Импрегнирован- Плотные 12,0 2,1 1,05 1,95

ные Трещиноватые 8,6 1,7 1,32 1,50

Коронки для ССК Плотные 10,3 1,4 0,95 1,46

Трещиноватые 9,0 0,8 1,12 1,25

алмазов. Данные, представленные в таблицах 1, 2, 3, свидетельствуют об актуальности рассматриваемой проблемы. К этому следует добавить, что с увеличением глубины бурения скважин из-за самозаклинивания керна приходится преждевременно заканчивать рейс и выполнять незапланированные спуско-подъемные операции.

Анализируя вышесказанное, можно отметить, что актуальность решения проблемы углубки скважины в твердых горных породах для месторождений Вьетнама связана, в первую очередь, с исследованием таких форм аномального износа алмазного породоразрушающего инструмента как: при-жог , заполирование и трещины и сколы матрицы; изучением причин самозаклинивания керна, разработкой и внедрением в практику методов и технических средств для углубки скважины в твердых монолитных и трещиноватых породах.

Основу работы составили теоретические, экспериментальные и опытно-производственные исследования, выполненные непосредственно самим автором, так и под его руководством и при его участии.

Цель работы - повышение эффективности бурения твердых монолитных малоабразивных и трещиноватых горных пород.

Идея работы заключается в совершенствовании геометрии матрицы и промывочной системы алмазной коронки.

Задачи исследований.

1. Анализ конструктивных особенностей алмазных коронок, механизма их износа и технологии бурения твердых горных пород.

2. Разработка методики исследований, планирование эксперимента и выбор бурового оборудования для выполнения стендовых исследований.

3. Теоретические исследования и определение геометрии и параметров промывочных каналов, обеспечивающих удаление шлама и охлаждение коронки.

4. Разработка конструкции алмазной коронки и методических рекомендаций по бурению скважин в твердых горных породах, их опытно-промышленная оценка.

Методика исследований включала в себя анализ и обобщение литературных данных; планирование эксперимента, теоретические построения; стендовые исследования и статистический анализ экспериментальных данных, а также проверку на сходимость расчетных данных с экспериментальными данными. Планирование экспериментальных исследований и статистическая обработка материалов исследований проводилась с использованием компьютерной техники и технологий.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

1. Анализ современного состояния технологии и технических средств для бурения твердых горных пород, позволивший сформулировать цель и задачи работ.

2. Методика исследований и определения конструктивных параметров алмазного породоразрушающего инструмента.

3. Аналитические исследования, определяющие оптимальные размеры промывочных каналов в корпусе алмазной коронки, а также время ликвидации заполирования и предупреждения прижога алмазных коронок.

4. Экспериментальные исследования породоразрушающего инструмента и опро