Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка научных основ проектирования специального алмазного породоразрушающего инструмента и технологии его применения
ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ
Автореферат диссертации по теме "Разработка научных основ проектирования специального алмазного породоразрушающего инструмента и технологии его применения"
На правах рукописи
/
БУДЮКОВ Юрий Евдокимович I
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСТОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО АЛМАЗНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Специальность 25.00.14-Технология и техника геологоразведочных работ
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
МОСКВА-2003
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном научно-исследовательском геологическом предприятии "Тульское НИГГГ
Научный консультант:
Доктор технических наук, Заслуженный геолог Российской Федерации, Лауреат Государственной Премии СССР
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации
Доктор технических наук, профессор
Доктор технических наук, профессор
В.И. Власюк
Д.Н. Башкатов В.П. Онищин А.З. Левицкий
Ведущее предприятие:
Федеральное государственное унитарное предприятие СКБ «Геотехника»
Зашита диссертации состоится « 15 » октября 2003 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 212.121.05 в Московском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом 23, ауд. 415й.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГРУ.
Автореферат разослан «_»_2003г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета, профессор
АЛ. Назаров
(4132Г
/ Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. В условиях переходного периода от плановой к рыночной экономике для РФ исключительно важное значение приобретает ее минерально-сырьевые ресурсы. Дальнейшее развитие минерально-сырьевой базы благородных, цветных, редких металлов и других полезных ископаемых определено Федеральной отраслевой программой «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 10 декабря 2001г. № 860. Важнейшей задачей в решении проблемы оценки ресурсного потенциала территории Российской Федерации на твердые полезные ископаемые является повышение геологической и технико-экономической эффективности буровых работ, что невозможно без современного технико-технологического обеспечения этих работ.
Бурение скважин является основным способом разведки полезных ископаемых в особенности залегающих на больших глубинах. При этом одним из перспективных в настоящее время и обозримом будущем способом сооружения скважин является проходка их с применением алмазного породоразрушающего инструмента в том числе и специального, предназначенного для бурения с отбором керна прогрессивными техническими средствами в сложных горногеологических условиях: снарядами со съемными керноприемннками (КССК), снарядами для бурения с гидротранспортом керна (КПС), эжекторными снарядами, одинарными колонковыми снарядами с применением сжатого воздуха и пен, а также для бескернового и направленного бурения без клиновыми снарядами. Существенное повышение геологической информативности бурения и эффективности технологии сооружения буровых скважин различного назначения в сложных геолого-технических условиях зависит от уровня научного обоснования основных конструктивных параметров специального алмазного породоразрушающего инструмента (САПРИ), и технология его применения; САПРИ (коронки, долота, расширители и др.) отличается от стандартного алмазного инструмента как конструктивно, так и по технологии применения. Вопросы повышения производительности, качества и экономичности бурения путем создания, внедрения и совершенствования САПРИ имеют постоянную актуальность.
В развитие геологоразведочного бурения в РФ и СНГ внесла крупный вклад значительная плеяда известных ученых исследователей и конструкторов: Воздвиженский Б.И., Шамшев Ф.А., Эпштейн Е.Ф., Волков С.А., Козловский Е.А., Башкатов Д.Н., Сулакшин С.С., Остроушко И.А., Калинин А.Г., Ребрик Б.М., Кудряшов Б.Б., Царицын В.В., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Власюк, В.И., Соловьев Н.В., Яковлев A.M., Тараканов С.Н., Горшков JI.K., ПитерскийВ.М., Онищин В.П., Осецкий А.И., Ошкордин О.В., Левицкий А.З., Морозов Ю.Т., Костин Ю.С.,Афанасьев И.С., Корнилов Н.И., Курочкин П.Н., Блинов Г.А., Кривошеее В.В., Рожков В.П., Спирин В.И., Чихоткин В.Ф., Архипов А.Г., Рябчиков С.Я., Яковлев A.A. и ряд других.
I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ {
(БИБЛИОТЕКА j (¡.Петербург /)Г/\
> оът^кфЬрЬ
Большое внимание уделили в своих работах проблемам создания и совершенствования алмазного породоразрушающего инструмента: Арцимович Г.В., Белов A.M., Богданов Р.К., Бурачек H.A., Вовчановский И.Ф., Воропаев И.Е., Гинзбург И.М., Глазов М.Г., Гореликов В.Г., Гренадер М.Е., Иванов О.В., Исаев М.И., Касаточкин A.B., Копылов В.Е., Никитаев В.А., Казика В.Ф., Кар-пиков A.B., Мельничук И.П., Михеев RH., Панин Н.М., Пономарев П.П., Романов В.П., Сахаров A.B., Сладкое В.И., Слюсарь И.Е., Соловов Ю.Г., Спивак А.И., Субботин Е.К., Суманеев H.H., Умов А.П., Эйгелес P.M. и др.
Однако возможности совершенствования алмазного породоразрушающего инструмента, в том числе и специального на научном, конструкторском и технологическом уровне далеко не исчерпаны: алмазное бурение в сложных геолого-технических условиях сопровождается не достаточно эффективным использованием подводимой к забою энергии, перегревом рабочего торца матриц коронок, аномальным износом породоразрушающей части инструмента и не всегда приемлемым геологическим качеством работ. В этой связи актуальность поставленных в данной работе задач вполне очевидна.
Работа выполнялась в Федеральном государственном унитарном научно-исследовательском геологическом предприятии «Тульское НИГП».
Исходными материалами диссертационный работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-производственных исследований, выполненных автором в 1970-2003 гг. в соответствии с координационными и отраслевыми программами бывших Мингео СССР, Минстанкомпрома, Роском-недра и Министерства природных ресурсов Российской Федерации, а также планами НИОКР ФГУНИГП «Тульское НИГП» по 25 госбюджетным и хоздоговорным темам. В большинстве перечисленных НИОКР автор выступает в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя.
Цель работы - повышение геологической и технико-экономической эффективности бурения разведочных скважин за счет создания и применения специального алмазного породоразрушающего инструмента, позволяющего интенсифицировать процесс разрушения горных пород на забое при благоприятных условиях для формирования и сохранения целостности керна.
Идея работы - совершенствование процесса алмазного бурения на основе применения нового специального породоразрушающего инструмента.
Задачи исследований
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
♦ аналитическое исследование взаимодействия единичного алмаза и группы алмазов с горной породой и разработка конечно-элементного метода анализа напряженного состояния системы забой - алмазная коронка;
♦ исследование сопротивления пород вдавливанию индентора от размеров напряженной зоны;
♦ исследование особенностей разрушения углового участка забоя скважин и взаимодействия с породой нескольких инденторов и определение рациональной схемы их установки в инструменте;
♦ экспериментальные исследования особенностей механизма разрушения пород при действиях на породоразрушающий элемент одновременно статического усилия и ультразвуковых колебаний;
♦ изучение условий формирования забоя, керна и зоны предразрушения при бурении;
♦ исследование теплопередачи в тепловом канале коронки для определения его геометрических параметров;
♦ исследование влияния отдельных конструктивных, кинематических и динамических факторов на характер износа различных типов алмазного инструмента;
♦ исследование влияния режимов бурения на работоспособность инструментов и геологическое качество работ.
Методы исследований
Для решения поставленной проблемы использовался комплексный метод исследований, включающий:
♦ научный анализ и обобщение результатов своих работ, результатов работ других авторов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по созданию алмазного бурового породоразрушающего инструмента, технологии его изготовления и применения и обоснование на этой основе задач исследований по повышению эффективности технологии алмазного бурения в сложных геолого-технологических условиях;
♦ аналитические и экспериментальные исследования механизма разрушения горных пород при вдавливании (в том числе и с наложением ультразвуковых колебаний) инструментов;
♦ исследование теплопередачи в алмазной коронке;
♦ экспериментальные исследования на стендах с использованием естественных блоков твердых горных пород с целью оптимизации процесса алмазного бурения скважин;
♦ математико-статистический анализ экспериментальных и производственных данных для определения степени их достоверности и вывод эмпирических формул и поправочных коэффициентов;
♦ технико-экономические исследования эффективности применения специального алмазного инструмента и совершенствование керносбере-гающей технологии бурения геологоразведочных скважин.
Научная новизна проведенных исследований заключается в получении следующих приоритетных результатов:
1. Установлены закономерности формирования напряжений в элементах породоразрушающей части коронки и в горной породе при их взаимодействии, заключающиеся в том, что после приложения нагрузки наибольших значений касательные напряжения достигают в области сектора коронки, примыкающей к границе внешних воздействий сил, а в горной породе на границе бокового контакта алмаза с матрицей и между алмазными зернами. С увеличением удельной нагрузки напряжения в матрице коронки растут быстрее, чем в алмазных зернах.
2. Выявлены основные закономерности взаимосвязи сопротивления пород вдавливанию индентора от размеров возникающей при этом в породе напряженной зоны, заключающиеся в возрастании сопротивления пород вдавливанию по мере уменьшения, начиная с некоторого значения диаметра напряженной зоны.
3. Установлены закономерности изменения твердости породы по штамп)' по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя, при которых она распределяется в этом направлении в порядке прямолинейного возрастания.
4. Открыто для упруго-хрупких пород и минералов явление перехода от полностью упругого разрушения к упругопластическому при внедрении сферического индентора, когда радиус кривизны индентора уменьшается обратно пропорционально кубу предела текучести породы до некоторой критической величины.
5. Выявлены закономерности влияния ультразвуковых колебаний на снижение прочности породы. Установлено, что при наложении ультразвуковых колебаний на инструмент, внедряемый в горную породу, твердость ее существенно снижается, причем в приповерхностном слое породы твердость уменьшается в несколько раз.
6. Определены закономерности нагрева и охлаждения алмазной коронки. заключающиеся в уменьшении её теплонапряженности в зоне контакта с породой за счет повышения теплопроводности материала матрицы и корпуса, изменения агрегатного состояния теплоносителя, термодеструкции нетермостабильного компонента матрицы и снижения забойной мощности.
7. Установлены закономерности распределения алмазов в матрице коронки в зависимости от их эквивалентного диаметра, насыщенности ее торца алмазами и твердости пород, заключающиеся в возрастании межзернового расстояния при увеличении эквивалентного диаметра алмазов и повышении требуемой насыщенности с возрастанием твердости буримых пород.
8. Выявлены закономерности распределения напряжений в керне при его образовании и установлен новый механизм повышения сохранности керна, заключающийся в уменьшении его напряженного состояния за счет снижения: касательных напряжений от крутящего момента на коронке и температурных напряжений, возникающих вследствие генерируемого на забое тепла, а также силы удара струи промывочной жидкости о керн путем уменьшения площади контакта керна со струей.
9. Установлены закономерности взаимосвязи конструктивных элементов специального алмазного инструмента, параметров технологического режима, механической скорости бурения и удельного расхода алмазов от подводимой к забою мощности.
Практическая ценность работы
1) Разработан и внедрен в сложных горно-геологических условиях многих рудных и угольных месторождений комплекс новых высокоэффективных технических и технологических решений, включающий:
• специальный алмазный породоразрушающий инструмент для бурения снарядами со съемными керноприемниками (КССК-59, КССК-76), гидротранспортом керна (КГК), эжекторными и одинарными снарядами, обеспечивающий высокие механическую и рейсовую скорости, приемлемый уровень геологической информативности керна и значительное снижение удельного расхода алмазов;
• породоразрушаюгцая компоновка колонкового снаряда, стабилизирующая направление ствола скважины за счет выполнения формы торца коронки по расчетной кривой равновесного износа, увеличения диаметра и высоты корпуса коронки и расширителя и уменьшения крупности армирующих алмазов;
• научно-методические основы определения и выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров специального алмазного поро-доразрушающего инструмента для бурения разведочных скважин.
2) Разработанные типы специального алмазного породоразрушающего Л инструмента показали высокую эффективность при бурении в сложных горногеологических условиях большинства месторождений России и стран СНГ. Комплексы алмазного породоразрушающего инструмента для КССК-76 использовались для повышения качества работ в республике Болгария. Всего с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента с 1981 по 2002 год пробурено более 4600 тыс. м разведочных скважин.
3) Патентная новизна ряда технических решений подтверждается 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и свидетельствами на полезные модели.
4) Опубликованные материалы включены в три монографии, пять учебников, три справочника и инструкции различных авторов для использования в учебной и научно-производственной деятельности.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и технико-технологических решений автора диссертации доказана большим фактическим материалом и сходимостью полученных теоретических решений с экспериментальными данными. Новизна технических и технологических разработок подтверждена 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и полезные модели. При обработке материалов использовались современные методы с использованием ЭВМ. Приемочные испытания разработанного специального алмазного породоразрушающего инструмента проводились в передовых производственных организациях под контролем государственных комиссий.
Высокая технико-экономическая эффективность от реализации комплексов специального алмазного породоразрушающего инструмента подтверждена практикой их применения на крупнейших месторождениях руд и угля России и стран СНГ.
Личный вклад автора в разработку проблемы
Все основные положения, результаты и выводы получены автором лично. Ему принадлежит постановка проблемы и задач исследований, разработка методик исследований, анализ и обобщение результатов работ. Он принимал личное участие во внедрении прогрессивной технологии бурения с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента. Он автор 112 опубликованных работ, в том числе 54 изобретений и полезных моделей. При решении отдельных задач принимали участие коллеги автора и многие специалисты производственных организаций. По всем работам имеются совместные публикации и ссылки на них в диссертации.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований представлялись в виде сообщений и докладов на Всесоюзных и Всероссийских отраслевых совещаниях. семинарах и конференциях, проводимых по планам Мингео СССР, Мингео РСФСР, МПР РФ (1970-2003 гг.). Результаты НИОКР по тематике исследований рассматривались на научных конференциях и семинарах в ТФ ЦНИГРИ, ЦНИГРИ, ТулНИГП, Ленинградском горном институте, ИСМ АН УССР, ВНИИСИМСе. ИФВД АН РФ, а также обсуждались на научно-технических совещаниях ряда геологоразведочных организаций. Отдельные положения работы докладывались на IV Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1998 г.), на IV Международной кон-
ференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 1999 г.), конференции профессорско-преподавательского состава (Москва, МГТА, апрель 2000 г.), научной конференции ФТРиР, посвященной 50-летию со дня образования кафедр горного дела и разведочного бурения МГГРУ (Москва, октябрь 2001 г.). 5-ой международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент» (г. Киев, сентябрь 2002 г.). Комплексы специального алмазного породоразрушающего инструмента демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены 4-х серебряных и 15-ти бронзовых медалей.
Публикации
Результаты исследований по теме освещены в 108 опубликованных работах, в том числе 55 статьях, монографиях и брошюрах, 53 авторских свидетельствах и патентах на изобретения и полезные модели.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Во введении обосновывается актуальность поставленной темы диссертационной работы, изложены основные защищаемые положения, научная новизна и ¡фактическая ценность полученных результатов.
В главе 1 дается анализ современного состояния теории и практики конструирования, изготовления и применения алмазного бурового и специального инструмента и вытекающие из неб перспективы повышения на этой основе эффективности бурения в сложных горно-геологических условиях.
В главе 2 изложены результаты исследований механизма разрушения горных пород и формирования керна при бурении алмазным инструментом. Также приведены анализ температурного режима алмазных коронок и методы повышения их теплостойкости.
Глава 3 посвящена разработке научных методов расчета и определению основных конструктивных параметров специального алмазного породоразрушающего инструмента.
Глава 4 посвящена исследованию и разработке алмазо-керносберегающей технологии с использованием нового породоразрушающего инструмента.
В главе 5 дана оценка эффективности от использования специального алмазного инструмента и изложены направления дальнейших исследований.
В заключении излагаются выводы и рекомендации, обобщающие основные результаты выполненной работы, т Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, д.т.н.
Власюку В.И. за постоянную методическую помощь и консультации. При проведении исследований автор пользовался поддержкой и советами руководителей бывшего Мингео СССР Е.А. Козловского, В.Ф. Рогова, С.И. Голикова, ученых JI.K. Горшкова, В.И. Спирина, Н.В. Соловьева, Д.Н. Башкатова, А.Г. Кали-
нина, В.Г. Карлыша, А.Т. Киселева,Б.П. Макарова, А.И. Осецкого, Н.Г. Егорова, Ю.Г. Шульгина, В.М. Турлычкина, своих коллег М.Е. Гренадера, А.И. Ря-бинина, A.B. Веселова, A.M. Белова, В.А. Никитаева, Е.С. Котельникова, И.А. Ососова, В.М. Постылякова, многочисленных специалистов России, республик Средней Азии и Казахстана, которые оказывали всестороннюю помощь в проведении исследований и реализации их результатов, за что автор приносит им также свою благодарность.
Содержание работы
Автор в своей работе опирался на результаты исследований по проблеме алмазного бурения, характера напряженного состояния горных пород и других твердых тел, породоразрушающего инструмента, выполненных многочисленными учеными: Воздвиженским Б.И., Волковым С.А., Сулакшиным С.С., Козловским Е.А., Башкатовым Д.Н., Калининым В.Г., Киселевым А.Т., Кардышем В.Г., Власюком В.И., Горшковым Л.К., Голубинцевым О.Н., Гореликом В.Г., Кичигиным А.Ф., Корниловым Н.И., Крагельским И.В., Кудряшовым Б.Б., Ку-рочкиным П.Н., Левицким А.З., Марковым А.И., Меламедом Ю.А., Мельничу-ком И.П., Пешаловым Ю.А., Рожковым В.П.,Онтциным В.П., Осецким А.И., Ошкординым О.В., Остроушко И.А., Соловьевым Н.В., Спириным В.И., Спива-ком А.И., Селедкиным Е.М., Егоровым Н.Г., Таракановым С.Н., Царицыным В.В., Черепановым Г.П., Чихоткиным В.Ф., Шрейнером JI.A., Эйгелесом P.M., Эпштейном Е.Ф., Алексеевым Ю.Ф., Арцимовичем Г.В., Бароном Л.И., Байдю-ком Б.В., Дж. Камингом, Кацуро Сасаки, Фудзии Т., Дзако М., Тойхико Хиро-та, Lummus J.L..
Проведенный анализ работ, опубликованных упомянутыми и другими исследователями, а также собственные экспериментальные работы по алмазному бурению показали, что до настоящего времени не полностью раскрыты закономерности разрушения горных пород и нет единого мнения о характере напряженного состояния их при бурении. И вопрос о том, какой показатель свойств горных пород наиболее полно характеризует их буримость остается дискуссионным. Указанное не позволяет установить удовлетворительную корреляционную зависимость между показателями физико-механических свойств горных пород и параметрами технологического процесса бурения. Необходимо разработать методы, учитывающие специфику разрушения пород алмазными зернами и возможность сравнительно простого применения их при расчетах основных показателей алмазного бурения с учетом особенностей применения специального алмазного породоразрушающего инструмента.
Значительным моментом в развитии алмазного способа бурения является разработка и применение специального алмазного породоразрушающего инструмента, позволяющего интенсифицировать процесс разрушения горных пород при бурении путем генерации в инструменте на контакте с породой колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Для разработки и внедрения экспериментальных образцов таких специальных алмазных коронок и долот
тальных образцов таких специальных алмазных коронок и долот необходимо было провести комплекс исследовательских работ как лабораторного, так и производственного характера, которые были выполнены в Тульском НИГП при непосредственном участии автора. Создание и внедрение специального алмазного породоразрушающего инструмента для бурения КССК, КГК, эжекторны-ми снарядами, одинарными колонковыми снарядами с применением сжатого воздуха и пен, с его значительной спецификой сделало необходимым разработку целого ряда научных задач, решение которых позволяло бы осуществить дальнейшее совершенствование алмазного бурения на новом научно-техническом уровне. Так недостаточно изучены закономерности развития тепловых процессов в алмазном породоразрушающем инструменте и не разработаны надежные методы снижения теплонапряженности в зоне контакта инструмента с породой, что обуславливает известные трудности при создании и применении алмазных коронок для бурения разведочных скважин с использованием низкотеплоемких очистных агентов (сжатого воздуха, пен).
Основным результатом бурения разведочных скважин является получение достоверной геологической информации, позволяющей в конечном итоге произвести оценку месторождения и составить проект эксплуатационных работ. Получение такой информации в значительной мере зависит от количества и состояния извлекаемого при бурении керна, а также от точности определения границ пластов пород и залежей полезных ископаемых или их мощности. Однако еще не достаточно изучены вопросы влияния на формирование и сохранность керна при его обуривании напряженного состояния забоя глубокой скважины и основных конструктивных параметров алмазных коронок: формы рабочего торца, диаметра, породоразрушающей матрицы, геометрии промывочных каналов, крупности, стойкости и схемы расположения алмазных резцов керно-образующего вооружения матрицы. До сих пор не созданы специальные алмазные коронки, способствующие при бурении стабилизации положения забоя и направлении трассы скважин для обеспечения пересечения пласта полезного ископаемого в заданном проектом месте. Отсутствие таких коронок является одной из причин существенного снижения производительности направленного бурения скважин.
Во все периоды развития алмазного бурения актуальным остается вопрос совершенствования режимов бурения на базе систематического сбора производственной информации и ее обработки. Недостатком такого подхода является отсутствие методик оптимизации режимов бурения по ряду критериев - максимуму рейсовой скорости, максимуму проходки, минимуму себестоимости и другим условиям. Реализовались лишь условия достижения одного критерия, что заведомо ограничивало возможности совершенствования режимов бурения.
Выполненные по вышеуказанным вопросам исследования позволили сформулировать следующие основные защищаемые положения.
Первое защищаемое положение. При взаимодействии алмазной коронки с забоем после приложения нагрузки касательные напряжения достигают наибольших значений в области сектора коронки, примыкающей к границе внешних воздействий сил, а в горной породе они максимальны на границе бокового контакта алмаза с матрицей и между алмазными зернами; размещение алмазов в выступах матрицы коронки позволяет увеличить высоту деформации рабочей поверхности матрицы относительно алмазов в несколько раз.
Характер напряженного состояния забойной зоны скважины исследовался Б.И. Воздвиженским, Ф.А. Шамшевым, Д.Н. Башкатовым, JI.A. Шрейнером, Г.В. Арцимовичем, P.M. Эйгелесом, А.И. Спиваком, Г.П. Черепановым, Н.В. Соловьевым. С.Н. Таракановым, В.П. Онитциным, В.П. Рожковым, О.Н. Голу-бинцевым, А.И. Осецким.
Анализ исследований напряженного состояния породы на забое скважины от действия единичного алмазного резца и группы резцов показал, что только результаты изучения напряженного состояния контактирующей пары забой -коронка как единой взаимодействующей системы могут служить надежной основой для выявления основных закономерностей развития деформаций разрушения и создания на этой основе специального алмазного породоразрушающе-го инструмента. Система забой - алмазная коронка характеризуется остаточными упругими свойствами и состоит из материалов, сильно отличающихся по физико-механическим параметрам. Анализ напряженного состояния такой системы может быть выполнен с применением метода конечных элементов (МКЭ), который является новейшим современным методом решения инженерных и математических задач с применением вычислительных машин, позволяющим получать решение наиболее адекватное реальному процессу.
Основные соотношения задачи математического моделирования формулируются следующим образом. В трехмерной декартовой системе координат х, у и z напряженное состояние характеризуется нормальными напряжениями сгх, сгу, ст. и касательными напряжениями тХ}, r>z, та, а деформированное - деформациями сжатия (растяжения) е,, Sy, е2 и деформациями сдвига у1у, уг_, у:х. Характер зависимостей, связывающих напряжения и деформации в точке среды, определяет её поведение под нагрузкой. Соответствующая замкнутая система уравнений, характеризующих напряженно-деформированное состояние в теле, включает в себя: дифференциальные уравнения равновесия, уравнения связи деформаций и перемещений (соотношение Коши), а также физические соотношения связи напряженного и деформированного состояния (закон Гука). Непосредственное интегрирование указанной системы уравнений представляет значительные принципиальные трудности, поэтому применяется эквивалентная вариационная задача.
Известно, что полную потенциальную энергию (П) упругого тела можно представить в следующем виде.
П = 0,5 ¡сг^/У- ¡^У, , (1)
У X,
где (ти - компоненты тензора напряжений, с,, - компоненты тензора деформаций, V - объем тела, - часть поверхности тела, к которой приложена внешняя нагрузка
Система забой - алмазная коронка может быть представлена как система, находящаяся в плоском напряженном состоянии, которое характеризуется следующими величинами: ах, сгу, а:, тхп сх, £у, В случае плоской деформации при использовании матричной записи соответствующие вектор-столбцы имеют следующий вид (компоненты, не вносящие вклад в потенциальную энергию системы, опущены):
{сг}7=[сг, ау ГД (2)
{£}т={е, еу Г Л О)
где Т- параметр матрицы.
Закон Гука в матричной записи примет следующий вид:
{*}=№}. (4) где матрица [£)] - квадратная симметричная матрица размерностью 3x3:
И- £
(1-2/0(1 + //)
1-/1 /и О
\-ц О 1-2 /у
сим
(5)
где ц— коэффициент Пуассона.
Соотношения для треугольных конечных элементов определяются в следующей последовательности. Численный анализ в плоской постановке проводится с использованием конечных элементов (КЭ) в виде треугольных симплекс-элементов. Важно получение матриц [Л'], [В\ и вектора-столбца которые используются в разрешающих конечно-элементных уравнениях. Перемещение в координатных направлениях х и у в пределах конечного элемента определяются компонентами V, и Ух, которые выражаются через узловые компоненты перемещений. В каждом узле перемещения имеют две компоненты и, таким образом, внутри конечного элемента перемещения определяются единственным образом с помощью шести величин.
Если аппроксимировать Ух и Уу с помощью двух линейных полиномов, то получим в компактной записи:
И=№}- (6)
Соотношения связи между деформациями и перемещениями могут быть представлены в компактной записи:
Так как функции перемещений внутри КЭ линейные, деформации будут постоянными в пределах элемента. Выражение для полной потенциальной энергии 1Г применительно к конечному элементу имеет вид:
п° = ЙгкГИ<я • (8)
V' 5}
Минимизация полной потенциальной энергии всей системы, состоящей из Е элементов, выполняется в соответствии со следующей процедурой
Э Е Е ягте
аШ & Эр}
где к - число глобальных степеней свободы (число компонентов перемещений) для всей системы в целом. Для отдельного конечного элемента это приводит к следующему уравнению
л- = (ю)
V
Последнее выражение представляет собой систему линейных алгебраических уравнений (индекс принадлежности к отдельному элементу опущен для упрощения записи):
[*]{у}-И = 0, (11)
где [X] - матрица жесткости конечного элемента,
[*]= {[д'П^М^; О2)
V
{/■} - вектор-столбец, учитывающий внешнюю приложенную нагрузку (для тех элементов на сторонах которых присутствует данная компонента):
М= Я^.П/}^- (13)
В результате проведенной процедуры конечноэлементной дискретизации полная потенциальная энергия представляется, таким образом, как функция ограниченного числа параметров - функций перемещений в узлах элементов. После решения системы уравнений (11) получаем вектор перемещений в узлах конечных элементов {у}. Затем с помощью соотношения (7) определяем компоненты деформаций и, наконец, используя выражения (4), вычисляем напряжения в конечных элементах.
Разработанные конечноэлементные уравнения могут быть применены для анализа напряженно-деформированного состояния системы, включающей несколько материалов с различными механическими характеристиками по двум вариантам численного моделирования: комплексный анализ состояния всей системы «алмазная коронка - забой» и анализ взаимодействия в произвольной конфигурации расчетной области, например, пары «алмазный резец - порода» с разделением процесса нагружения на малые этапы или с однократным прило-
жением нагрузки. Разработанный метод был принят для расчета напряженно-деформированного состояния системы «алмазная коронка - забой».
Задача решалась в плоской постановке при следующем допущении: горная порода (гранит) изотропна, при деформировании соблюдается закон Гука. Граничные условия задавались следующим образом: на нижней и боковой границах - ух=0, у/=0; к верхней границе коронки приложено усилие Р=6,2 МПа, действующее вдоль оси у.
На рис. 1 показано распределение величины интенсивности касательных напряжений <т, по конечным элементам, полученное в результате упругой деформации всей рассматриваемой системы. Справа на рис. 1 приведена шкала значений ст, в МПа, соответствующих различным цветовым отображениям на рисунке.
о.оооооо 0.779940
0.779940 1.559090
1.1197(0 3.599700
4.679639 Я.459579
«.239519 7.019439
7.019459 7.799399
53.600 ми «7.ООО
Рис. 1. Распределение величины ег, в расчетной области:
1 - алмазы; 2 -матрица коронки; 3 - разрушенная горная порода; 4 -монолитная горная порода.
Из данных рис. 1 видно, что после приложения нагрузки в заданной части инструмента наибольших значений напряжения достигают на участке, прилегающем к границе внешних воздействий, то есть на контакте матрицы с корпусом коронки. Здесь величины интенсивности касательных напряжений достигают значений в 2,1-3,9 раза больших, чем в областях, примыкающих к боковым стенкам и торцу матрицы коронки, для которых значения касательных напряжений лежат в интервале 1,6...3,9 МПа. По вычисленным узловым перемещениям установлено, что значения высоты деформации рабочей поверхности
матрицы коронки относительно алмаза лежат в интервале 2-10"6-24-10"<' мм, разрушение алмазов в уступах матрицы коронки позволяет увеличить высоту деформации рабочей поверхности матрицы в несколько раз.
С применением разработанного метода исследовано распределение интенсивности касательных напряжений в горной породе (граните) как однозначной характеристики напряженного состояния горной породы (гранита) по обобщенному условию прочности Мора при одновременном воздействии на неё с нормальной Рн и касательной Рт нагрузками двух алмазных резцов шарообразной формы. Результаты расчетов приведены на рис. 2 в относительных координатах:
<т,1Рн=Ах1а,у1а), (14)
где а - радиус площадки контакта алмаза с породой; Р„ - максимальное номинальное давление на площадке контакта, Мпа. а
двух алмазных резцов: а - Рт/Рн = 0, б - Рт/Рн = 0,5.
Для гранита коэффициент Пуансона ц принят равным 0,20, £=56 ГПа, а предельное значение а, принято равным 0,7. Линии равных интенсивностей касательных напряжений построены при различных соотношениях между тангенциальной Рт и нормальной Рн нагрузками на резцы.
Анализ данных рис. 2 показывает, что с увеличением Рт/Ри линии равных интенсивностей искажаются, между алмазными зернами формируется зона, в которой может наступить предельное состояние. Предельное состояние
может наступить одновременно под алмазными зернами на границе их бокового контакта с матрицей и между ними. Регулируя отношение Ря/Р„ и расстояние между зернами можно повысить эффективность разрушения породы.
При одновременном воздействии на породу трех сферических инденторов с нормальной нагрузкой напряжения в ней возрастают в области приложения боковых инденторов более интенсивнее, чем в области приложения центрального индентора.
Результаты приведенных исследований послужили обоснованием схемы раскладки алмазов в специальных однослойных алмазных коронках.
Второе защищаемое положение. Интенсификация процесса разрушения горных пород и повышение работоспособности породоразрушающего инструмента при алмазном бурении обеспечиваются:
• созданием на забое скважины предельного состояния породы, характеризующегося трещинообразованнем или полным разрушением, за счет эффекта взаимодействия полей напряжений, возникающих в породах под смежными алмазными резцами и условий при которых е£ упругая деформация переходит в упруго-пластическую, а также формирования рациональной формы забоя, обуславливающей значительное понижение прочности породы на вдавливание;
• дополнительным наложением на инструмент высокочастотных колебаний звуковой и ультразвуковой частоты, за счет чего обеспечивается значительное и направленное снижение сопротивления горных пород деформированию и разрушению;
• уменьшением тепл«напряженности в зоне контакта алмазных зерен коронки и горной породы путем применения в коронках: корпусов из биметаллического материала, пластификатор которого входит в состав материала матрицы, тепловых труб с внутренним испарительным охлаждением, рациональной насыщенности торца алмазами и снижением контактной температуры от термодеструкции нетермостабильных компонентов алмазосодержащей матрицы коронки.
Известно, что масштабный фактор заметно влияет на величины прочности и объемной работы разрушения, однако при алмазном бурении это явление не достаточно изучено. Поэтому автором были проведены экспериментальные исследования влияния масштабного фактора на сопротивление разрушению при вдавливании в стекло и породу цилиндрических штампов с конусом при вершине с различными значениями диаметра круга контакта. Установлено, что с уменьшением диаметра штампа (размера напряженной зоны) для кварцита от 1,5 до 0,3 мм сопротивление вдавливанию возрастает в 2,1 раза, а в интервале 1,5-0,1 мм оно возрастает в 4,3 раза.
Также определено, что нагрузки, требуемые для достижения предельного состояния горной породы, пропорциональны квадратам радиусов кривизны вдавливаемых поверхностей алмазных зерен только при диаметре площади контакта более 1-1,5 мм; при меньшем диаметре контакта эта пропорциональность нарушается вследствие значительного увеличения сопротивления породы внедрению.
Эмпирическая зависимость сопротивления породы вдавливанию от размеров напряженной зоны может быть выражена формулой
Ро=Р»+^ <15>
где Ра - предел текучести породы, МПа; Рн - начальные постоянные значения предела текучести породы, когда влиянием масштабного фактора можно пренебречь, МПа; а0 ~ опытный коэффициент, величина которого зависит
от физико-механических свойств горных пород, н/м; (1 - диаметр штампа, м, в - показатель, характеризующий отклонение реального профиля рабочего основания штампа от прилегающей окружности (в = 0,9-1,0). При измерении износа алмазов 510 нормально отработанных однослойных и импрегнированных коронок выявлено, что в результате бурения породы на зернах коронок на торце образуются площадки притупления для однослойных и импрегнированных коронок с поперечником 0,1-0,4 мм и 0,05-0,15 мм соответственно. Таким образом, при бурении алмазными коронками влияние масштабного фактора на энергоемкость разрушения будет проявляться в полной мере: оно будет возрастать с уменьшением диаметра площади контакта алмаза с породой. С учетом этого, авторам предложена усовершенствование методики определения твердости пород по Л.А. Шрейнеру, заключающееся в применении штампов с диаметром рабочего основания, соответствующего поперечнику площадок притупления алмазов и предельной величины внедрения штампа, обусловленной усилием нагружения алмазных зерен в коронке при бурении.
Проведенными экспериментами с единичными алмазными зернами при резании на токарном станке гранита и окварцованного песчаника с применением трехкомпонентного упруго-электрического динамометра типа УДМ-600 установлены зависимости силы нормального прижатия Рь соответствующей осевой нагрузке на инструмент, и силы резания Р2, соответствующей крутящему моменту при бурении, от глубины резания Ь, которые апроксимированы функциям вида
Р,=Ро,+а, К (16)
Р2 = Р02 + а2-Ь, (17)
где Рои Рот- значение сил Р\ и Р2 при й=0,05 мм; аи а2 - коэффициенты, характеризующие прочность горной породы, геометрию и форму алмаза, н/м.
Из приведенных зависимостей следует, что с увеличением глубины резания сила нормального прижатия Р\ и сила резания Р2 возрастают. Как показал
анализ экспериментальных данных при резании гранита и песчаника, величина силы нормального прижатия Р\ в 2,5-4,0 раза превышает величину усилия резания Р2. Отношение Р\!Рг является важным фактором работы алмазного инструмента, так как оно характеризует отношение нагрузки к крутящему моменту, то есть отношение нормального и тангенциального усилий. При приложении к алмазному резцу одновременно нормального и тангенциального усилий в породе создается напряженно-деформированное состояние отличающееся от состояния в случае действия только нормального усилия. При этом обеспечивается более высокой, чем при действии только нормального усилия, коэффициент полезного действия преобразования в усилие отрыва (сдвига). По этой причине предельное состояние горной породы достигается при меньшей нормальной нагрузке.
Нами проведены эксперименты для получения количественной оценки эффективности совместного действия нескольких штампов диаметром Д при вдавливании в песчаник по четырем схемам: двух штампов, трех штампов по линии, трех штампов по треугольнику, четырех штампов по квадрату при расстоянии / между осями. Установлено, что при одновременном внедрении нескольких инденторов общее усилие, необходимое для осуществления процесса разрушения породы в 1,2-1,6 раза меньше, чем суммарное усилие внедрения этих инденторов каждого в отдельности, причем максимум отделяемого объема разрушения наблюдается при размещении одновременно внедряемых инденторов в вершинах квадрата.
Практический интерес для создания специального алмазного псгродораз-рушающего инструмента и проектирования режимов его эксплуатации представляют условия, при которых возможны упругопластические деформации твердых и хрупких пород и минералов в контакте с породоразрушающим элементом. При некоторых условиях внедрения сферического индентора в хрупкие породы может проявляться пластичность материала. Проведенными теоретическими исследованиями с использованием разработанного критерия достижения пластичности и закона Ф. Ауербаха о критической нагрузке установлено, что критический радиус сферического индентора, соответствующий переходу от упругого к пластическому деформированию определяется по зависимости
где В\ - постоянная зависящая от вязкости разрушения, н/м; К и 52 - упругие постоянные, с - коэффициент, учитывающий повышение несущей способности контакта алмаз-порода; Р0 - предел текучести породы, МПа.
Расчетные значения критического радиуса алмазного зерна, при котором возможна упругопластическая деформация для кварцита, кварца и гранита составляют 0,34; 0,29 и 0,31 мм соответственно. Установленные значение критического радиуса хорошо совпадают с размерностью алмазов, используемых для изготовления объемного слоя импрегнированных коронок. При упругопласти-ческой деформации породы алмазные зерна в процессе бурения воздействуют
(18)
на неё главным образом в тангенциальном направлении, при котором сдвиг и отрыв породы происходит в направлении наименьшего сопротивления разрушению.
При рассмотрении процесса формирования рациональной формы забоя были проведены теоретические и экспериментальные исследования для оценки эффективности разрушения пород при бурении со ступенчатой и плоской формой забоя. Было установлено, что при разрушении забоя скважины внутри одной и той же породы под действием заданной силы возможно создание более высоких концентраций напряжений, если от плоской формы забоя перейти к ступенчатой.
Экспериментально исследованы особенности разрушения угловой зоны забоя и характер изменения механических свойств пород при приближении ко второй свободной поверхности образца породы (известняка) с уступом при вдавливании штампа в породу на приборе УМГ П-3. Было установлено, что по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя твердость породы по штампу возрастает по зависимости, выраженной эмпирической формулой для Рш и Р0
Ли = Ли.+Ы (19)
Л, = Л..+Ы
где в,, в2 - опытные коэффициенты, н/м1; / — длина перемещения инденто-ра, м; Рт, Ра - твердость и предел текучести породы, Мпа.
Для определения влияния числа ступеней их высоты и ширины на показатели бурения было проведено бурение по блокам гранодиорита алмазных коронок с различными профилями рабочего торца: плоским, одноступенчатым, двухступенчатым и трехступенчатым. Было установлено, что для проявления влияния второй свободной поверхности обнажения забоя на эффективность разрушения пород необходимо, чтобы ширина ступени торца коронки составляла 0,8-1,1 диаметра используемых алмазных зерен.
Известно, что алмазные резцы современных буровых коронок в процессе бурения на рациональных режимах погружаются на глубину не более 0,2-0,3 мм и потому редко доводят твердые горные породы до первой формы хрупкого разрушения. Поэтому необходимо интенсифицировать процесс разрушения горных пород в приповерхностном слое. Повышение эффективности алмазного бурения разведочных скважин в твердых породах может быть достигнуто наложением на породоразрушающий инструмент акустических колебаний звукового и ультразвукового диапазонов.
Некоторая неопределенность в успехе указанного новшества состояла в том, что, с одной стороны, отсутствуют забойные ультразвуковые генераторы эффективной мощности, с другой - конструкция многих современных алмазных коронок и особенно толстостенных специальных позволяет сравнительно легко модернизировать их в гидродинамические преобразователи, работающие при прохождении через них потока промывочной жидкости от бурового насоса,
с высокой интенсивностью и максимумом энергии в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот.
Поэтому автором были инициированы теоретические и экспериментальные работы по определению перспективности алмазного бурения с наложением на породоразрушающий инструмент высокочастотных звуковых (5-15 кГц) и ультразвуковых (15-20 кГц и выше) колебаний. Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах, оснащенных специальными датчиками, стандартными контрольно-измерительными приборами и научно-исследовательской аппаратурой. Существенным отличием исследований явилось применение ультразвуковых головок для бурения, стенда, помещение специального датчика непосредственно в забойной зоне в корпусе коронки, применение спектрального анализа в диапазоне частот 0-50 кГц. Для исследования влияния ультразвуковых колебаний на процесс деформирования горной породы было поставлено несколько серий опытов по вдавливанию цилиндрических, сферических и конических инденторов в образцы горных пород: кварцита шокшинского, гранита янцевского, мрамора коэлга.
Эти эксперименты показали, что наложение на цилиндрические инденторы ультразвуковых колебаний при вдавливании с одинаковой статической нагрузкой приводит к значительному снижению твердости по сравнению со статическим вдавливанием: мрамора в 1,5 раза, гранита в 1,9 раза, кварцита в 2,2 раза. Причем при небольших глубинах внедрения цилиндрических пуансонов (0,050,25 мм) воздействие ультразвуковых колебаний вызывает снижение твердости горных пород в несколько раз: мрамора в 2,1 раза, гранита в 2,8 раза, кварцита в 3,4 раза. Наиболее существенный эффект снижения твердости пород наблюдается при относительно малых амплитудах колебаний: 6-10 мкм.
Были выполнены исследования по определению эффективности алмазного бурения с наложением на алмазный инструмент высокочастотных звуковых и низкочастотных ультразвуковых колебаний. Первоначально были изучены особенности процесса сверления с наложением ультразвуковых колебаний стандартными алмазными сверлами диаметром 8 мм мрамора и гранита на сверлильном станке 2А-125 с применением универсальной ультразвуковой головки. Коэффициент эффективности применения ультразвука при сверлении по мрамору и граниту, определяемый отношением скорости сверления с наложением ультразвуковых колебаний к скорости обычного сверления, составил 1,42-1,48 и 2,05-2,12 соответственно. При наложении ультразвуковых колебаний степень сопротивления хрупких пород (гранит) снижается в большей мере, чем пластично-хрупких (мрамор). Увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний до 8-12 мкм вызывает рост скорости сверления. С увеличением частоты колебаний ультразвуки от 22 до 44 кГц скорость алмазного сверления отверстий в мраморе и граните увеличивается в 1,4-2,1 раза соответственно, износ инструмента снижается в 2,0-3,2 раза. Установлено явление самозатачивания алмазных сверл при бурении пород, связанное с совместным действием ультразвука и вызываемых им вторичных эффектов (кавитации, акустических течений, зву-
кокапиллярного эффекта), обусловливающих повышение эффективности разрушения породы и самозатачивание инструмента.
Разработанные на основе вышеизложенных исследований экспериментальные образцы специальных алмазных коронок для КССК с системой генерации звуковых и ультразвуковых колебаний получили условное название виброактивных коронок. При работе таких коронок частота генерируемых колебаний /и определяется по зависимости
г Уу ' (2°)
где Q - расход жидкости, проходящей через кольцевое сечение коронки, м3/с; у/ - универсальный коэффициент; йс - высота кольцевого сопла коронки, м; шк - количество промывочных каналов, шт; г0 - радиус торцевого промывочного канала, м; и Ьк - ширина и глубина торцевого промывочного канала соответственно, м.
Расчетами по этой формуле установлено, что ультразвуковая частота колебаний у виброактивных коронок для КССК 17А4-0 и К-30-0 возникает при расходах промывочной жидкости 47 и 70 л/мин соответственно.
Экспериментальные образцы виброактивных коронок К-30-0-76 были испытаны в ПГО «Донбассгеология». Их применение было эффективнее по сравнению с базовыми алмазными коронками К-30: по механической скорости бурения на 25 %, по расходу алмазов на 40 %, по выходу керна на 9 %. Экспериментальные образцы виброактивных коронок 17А4-0 и К-16-0 были испытаны в Норильской ГРЭ. Их применение по сравнению со стандартными коронками эффективнее по механической скорости бурения на 10-31 %, по расходу алмазов на 32-33 %, по выходу керна на 11-15 %.
В процессе бурения пород высоких категорий по буримости при значительных контактных температурах температурные деформации занимают доминирующее положение. Особо важное значение приобретает решение этого вопроса при применении специального алмазного инструмента для прогрессивных видов алмазного бурения: КССК, КГК при бурении с применением пен и сжатого воздуха в качестве очистных агентов. В процессе применения этих видов алмазного бурения необходимо учитывать и предупреждать действие температурного фактора при выполнении более 50 % объема работ.
Из теплофизических свойств композиций матриц главное значение имеет теплопроводность, которая должна быть близкой к теплопроводности алмазов или превышать её. Проведены исследования по определению теплопроводности материалов матрицы и корпуса коронки. Установлено, что применение в алмазных коронках корпусов из биметаллического материала (Д 30-ЖМ), пластификатор которого входит в состав материала матрицы, позволяет при бурении снизить теплонапряженность в зоне контакта алмазов с породой и уменьшить температуры нагрева рабочего торца на 38 %.
С целью интенсификации отвода тепла от рабочей поверхности матрицы были изучены возможности охлаждения алмазных коронок при бурении в условиях высоких контактных температур путем применения в них тепловых труб, расположенных в матрице и корпусе коронок и частично заполненных теплоносителем. В таких коронках охлаждение рабочего торца осуществляется за счет изменения агрегатного состояния теплоносителя. Для выяснения особенностей процесса испарения в замкнутом канале исследован процесс теплообмена на моделях замкнутых каналов, выполненных из стекла. Установлено, что рациональная величина заполнения канала водным конденсатом составляет 25 % от всего объема канала. Оптимизированная по длине тепловая мощность трубы может быть определена по формуле
Оптимальный гидравлический диаметр капилляра ¿4, при котором достигается наивысшее значение (¿„ж, определяется из условия
где Q - тепловой поток коронки, вт; / - длина тепловой трубы, м; а- поверхностное натяжение, н/м; р - теплота парообразования, джоуль/кг; 2- количество тепловых труб, шт; с1т, </„- диаметры теплового и парового каналов, м; Эж, &„ - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; со - пористость капиллярной структуры.
Экспериментальные образцы алмазных коронок с тепловыми трубами, получившие наименование МЦПИМ-76 были опробованы в производственных условиях Тырныаузского комбината при бурении скарнов 1Х-Х категорий по буримости. Установлено, что применение коронок МЦПИМ-76 эффективнее по сравнению с базой сравнения (коронки 02ИЗ-76) по механической скорости бурения на 18 %, по расходу алмазов на 54 %.
Работоспособность коронок, в том числе и специальных при высоких контактных температурах, в значительной мере зависит от насыщенности рабочего торца алмазами. В результате лабораторных и производственных испытаний коронок с различной насыщенностью установлены зависимости механической скорости и стойкости коронок от насыщенности рабочего торца алмазами. Анализ этих зависимостей позволил определить следующие рациональные значения насыщенности, которые составили 25-30, 35-40 и 40-60 % при твердости пород по штампу соответственно 4000-5000, 5000-6000 и 6000-7000 Мпа. Насыщенность торца коронки алмазами Ы, обеспечивающая их перекрытие, в зависимости от эквивалентного диаметра алмазов с1, расстояния между зернами в ряду /1 и по окружности среднего диаметра коронки /2 может быть выражена зависимостью
(21)
ЛГ=-—--100% (22)
(/,+</) •&+</)
Установлено, что равномерное распределение алмазов по торцу однослойных коронок и полное перекрытие поверхности забоя при бурении обеспечиваются применением «квадратной» схемы раскладки алмазов, при которой их располагают в углах квадратной сетки с размерами стороны, определяемой в зависимости от установленной насыщенности и зернистости алмазов.
Были проведены исследования возможности снижения контактной температуры между породой и алмазными резцами от термодеструкции нетермо-стабильных компонентов, включаемых в алмазосодержащие матрицы. Установлено, что применение в матрицах коронок нетермостабильного компонента (графита пропитанного пульвербакелитом) позволяет снизить температуру нагрева торца матрицы при бурении на 50 % °С по сравнению с аналогичным показателем стандартных коронок. Проведенными производственными исследованиями установлено, что при алмазном бурении необходимо соблюдать рациональную технологию, то есть поддерживать режимные параметры на таком уровне, при котором забойная мощность не превышала бы предельно допустимые значения.
Третье защищаемое положение. Сохранность керна и стабилизация положения забоя при их формировании обеспечиваются:
• изменением напряженного состояния керна за счет уменьшения касательных напряжений от крутящего момента на коронке и температурных напряжений, возникающих в керне вследствие генерируемого на забое тепла;
• снижением нутации окружного вращения коронки путем уменьшения разновысотности алмазных зерен и секторов матрицы;
• предотвращением размывающего воздействия на керн боковых потоков промывочной жидкости благодаря выполнению торцевых каналов в матрице, оси которых параллельны или составляют острый угол с осью коронки;
• уменьшением бокового перекоса породоразрушающей компоновки колонкового снаряда за счет уменьшения опрокидывающего мо- , мента на коронке путем выполнения формы торца коронки по расчетной кривой равномерного износа, увеличения диаметра и высоты корпуса коронки и расширителя и уменьшения крупности > подрезных алмазов.
Влияние отдельных факторов на сохранность керна при его формировании рассмотрено в работах Б.И. Воздвиженского, С.А. Волкова, Ф.А. Шамшева, С.С. Сулакшина, Д.Н. Башкатова, А.Г. Калинина, А.Е. Козловского, В.Г. Кар-дыша, А.Т. Киселева, В.И. Власюка, В.М. Питерского, И.Б. Булнаева, H.H. Су-манеева, П.П. Пономарева и др.
При бурении горная порода переходит в столбик керна, выбуриваемый коронкой. При этом она подвергается воздействию различных геологических, технических и технологических факторов, которые могут вызвать разрушение керна даже твердой монолитной породы: переход из одного напряженного состояния в другое, развитие зоны касательных напряжений под алмазными резцами коронки, силовое действие потока жидкости, вибрация колонковой трубы, ее вращение, осевое перемещение и изгиб, перераспределение сил под торцом коронки при пересечении контактов различных горных пород.
Анализ физической сущности процесса кернообразования, проходящего в сложной системе «алмазная коронка - горная порода» в условиях ее непрерывного динамического изменения, и определяющих его множества факторов, привел к заключению, что формирование ненарушенного керна монолитной породы происходит при превалирующем значении особенностей конструкции поро-доразрушающего инструмента и ее соответствия физико-механическим свойствам буримых горных пород. Специальные алмазные коронки, предназначенные для бурения скважин прогрессивными техническими средствами снарядами КССК и КГК, обеспечивающими высокую сохранность керна, должны отвечать требованиям соблюдения его качественного выбуривания уже на самом первом этапе кернообразования.
В этой связи было предпринято теоретическое исследование с целью определения условий сохранения целостности керна на начальном этапе его формирования на забое и поступлении в алмазную коронку. При выбуривании керна на алмазные зерна коронки действуют усилия подачи и крутящий момент. Для сохранения целостности керна крутящий момент на коронке должен быть меньше момента сопротивления сечения керна на скручивание. Возникающие в керне разрушающие касательные напряжения определяются зависимостью
Т~ 4/3-х-г3 (23)
где т - касательное напряжение, МПа; Ррв - силы прижатия алмазов, кернор-вателя к столбику керна, соответственно, - коэффициент трения ал-
мазных зерен о керн и стенки скважины соответственно; оск - сопротивление породы окатыванию, МПа; Я, г, Я1р - радиусы коронки наружный, внутренний и средний соответственно, м; - осевая нагрузка, Н; Р -удельная нагрузка разрушения, Мпа, Мр - количество торцевых алмазных зерен в коронке, шт; ¿/-диаметр алмазного зерна, м.
Из анализа выражения (23) следует, что при увеличении усилий, прижимающих элементы кернорвателя и алмазные зерна к керну, количества и площади контакта алмазных зерен, ширины матрицы коронки, твердости горных пород, среднего радиуса коронки, коэффициента трения, значительно возрастают касательные напряжения в керне в результате чего он может разрушиться на отдельные куски. С целью сохранения целостности керна необходимо огра-
ничить размеры площадок контакта алмазных зерен с породой, т.е. уменьшить удельные нагрузки и крутящий момент, передаваемые на столбик керна на забое. Также важным условием сохранения целостности керна является снижение коэффициентов трения, которое может быть достигнуто введением в промывочную жидкость смазывающих добавок или наложения на породоразрушаю-щий инструмент высокочастотных звуковых и ультразвуковых колебаний. Как видно из выражения (24), чем больше диаметр керна, тем больше прочность столбика керна и вероятность сохранения его целостности в процессе кернооб-разования. Снижение коэффициентов трения позволяет передавать при бурении большую осевую нагрузку на горную породу, что обеспечит повышение механической скорости, т.е. уменьшение времени нахождения керна в коронке и колонковой трубе, а, следовательно, и снижение времени воздействия различных секторов, вызывающих разрушение керна.
При алмазном бурении с продувкой в монолитных породах трудно получать ненарушенный керн. С целью изучения особенностей разрушения керна автором совместно с Л.К. Горшковым были проведены стендовые исследования процесса получения керна путем бурения по блокам горных пород с различными очистными агентами: сжатым воздухом, технической водой и аэрированной жидкостью. При бурении с применением промывки водой и аэрированной жидкостью керн формируется ненарушенным и с небольшими нарушениями соответственно, а с применением продувки сжатым воздухом корн формируется сильно нарушенным в виде утолщенных в центре дисков, так как генерируемое в процессе разрушения породы тепло, нейтрализуется менее интенсивно, чем при использовании промывочных жидкостей.
Были проведены теоретические исследования для оценки степени влияния температурного фактора на состояние керна при бурении. Осевые напряжения на поверхности и в центре столбика керна определяются зависимостями:
<уч=Е.0.(Го-1к).{1-МУ-Зч; (24)
а„=Е^.{Г0-1к).{1-Му.8я, (25)
где стц, сг„- температурные напряжения соответственно в центре и на поверхности столбика керна, МПа; Е - модуль упругости породы, МПа; Р - коэффициент линейного расширения, V; ц - коэффициент Пуассона; /0 -температура очистного агента до обмена с керном, °С; - температура нагрева керна, °С; 5И - безразмерные напряжения соответственно в центре и на поверхности столбика керна.
На эпюрах температурных напряжений, построенных на основе зависимостей (24) и (25) в керне гранита при бурении алмазной коронкой диаметром 76 мм отмечается, что снижение напряжения в центре керна как при бурении с водой, так и с воздухом не превышают предела прочности, а растягивающие напряжения на поверхности при бурении с продувкой превышают предел проч-
ности, чего не наблюдается при бурении с промывкой в этих же условиях. Следовательно, температурный фактор имеет значение в разрушении керна при бурении с продувкой.
Для избежания разрушения керна при алмазном бурении с продувкой не-1> обходимо добиваться того, чтобы растягивающие напряжения в керне не пре-
восходили предел прочности керна на растяжение. Этого можно достичь охлаждением очистного агента и ограничением температуры нагрева керна при бу-' рении. При бурении в каждый момент времени происходит не только
разрушение породы торцом коронки, но и обработка керна и формирование ствола скважины. Поэтому было исследовано влияние на характер движения алмазной коронки одного из основных факторов - разновысотности алмазных резцов и секторов коронки. Установлено, что характер движения коронки на забое зависит от разновысотности ее алмазных зерен и секторов: при одинаковой частоте вращения шпинделя станка алмазные зерна могут двигаться с различными мгновенными скоростями по окружности, эпициклоиде или гипоциклоиде при существенных нутациях породоразрушающей компоновки (коронки и расширителя), наибольшие значения нутации колебательного изменения наклона оси собственного вращения компоновки при правой и левой прецессии оси коронки достигаются при эпициклическом и гипоциклическом движении. При этом возникают значительные динамические нагрузки на внутренние подрезные алмазные зерна и керн, разрушение которого может произойти при достаточном силовом воздействии на него породоразрушающей компоновки.
Были проведены исследования влияния торцевого биения, возникающего при изготовлении алмазных коронок и резьбы колонковых труб, на работоспособность коронок 01АЗ-59, отработанных в ГРЭ Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината. Установлено, что биение в 0,4-0,5 мм снижает проходку на коронку в 1,3-1,6 раза по сравнению с аналогичным показателем коронок, имеющих биение 0,1-0,2 мм. Анализ частоты встречи керна с технологической трещиноватостью по обработанным данным наблюдений за процессом бурения показал, что наиболее часто встречается керн с кусковато-стью 6-8 кусков на метр, соответственно высотою 8-12-16 см, т.е. соизмеримый по длине с породоразрушающей компоновкой. Следовательно, периодическое скалывание столбика керна происходит от надавливания на него упруго-изогнутой породоразрушающей компоновки в области верхнего резьбового соединения расширителя. Для повышения сохранности керна необходимо разработать качественную технологию изготовления алмазных коронок и нарезания резьбы с тем, чтобы уменьшить разновысотность алмазных зерен и секторов, что будет способствовать снижению нутации породоразрушающих компоновок и повышению качества бурения.
С целью выбора рационального способа сохранения керна от гидравлического воздействия, формы и расположения промывочных каналов было исследовано динамическое воздействие промывочных потоков на керн. В результате исследований установлено, что гидравлическое воздействие на керн можно
оценить силой удара струи Р в месте контакта ее с керном, которая определяется зависимостью
Р =(*, + K2)-p-f0- V02{1 - cosa)- eos/?, (26)
где p- плотность жидкости, кг/м3; VQ - скорость движения струи, м/с; Ки К2 -коэффициенты, учитывающие площадь сечения прямоугольных и цилиндрических каналов соответственно; а - угол изменения направления движения струи при отражении от керна, град.; /?- угол отклонения струи от перпендикулярного направления, град;^-суммарная площадь сечения прямоугольного и цилиндрического каналов, м2.
Из анализа зависимости (26) следует, что полная сила удара струи распадается на две: силу удара о керн с площадью контакта K\f0 и силу удара о забой с площадью контакта K2fo. Если К\ < Къ то сила удара струи о керн меньше, чем сила удара о забой. Следовательно, ограничивая площадь контакта керна K]f0, можно значительно уменьшить силу удара о керн и тем самым предохранить его от разрушения. На основании результатов проведенных исследований для предотвращения разрушающего воздействия на керн потоков промывочной жидкости предложено в каждом рабочем секторе специальных алмазных коронок выполнять внутренние продольные прямоугольные пазы и цилиндрические осевые или под углом к оси коронки цилиндрические каналы, причем суммарная площадь поперечного сечения прямоугольных пазов меньше, чем суммарная площадь поперечного сечения цилиндрических пазов. Применение этого технического решения в коронках К-31-0 и К16-0 (а.с. №825833, 1222811, свидетельства на полезную модель №10767, 20122) позволило существенно снизить разрушающее гидравлическое воздействие на керн.
Существенное искривление ствола скважины наиболее отчетливо проявляется на контакте двух пород различных по твердости. Поэтому крутое падение и частая перемежаемость горных пород способствуют значительному искривлению скважин алмазного бурения. С целью выбора рациональных параметров алмазных коронок, способствующих стабилизации положения забоя и сохранности керна, нами предпринято теоретическое исследование процесса искривления скважин при встрече алмазной коронкой породы, твердость которой отличается от пройденного при этом участка. Величина угла, на который отклоняется ось скважины на участке контакта двух пород определяется по зависимости:
П-1 Р
tgax=±-¡г- , (27)
апр0ткык -lx-VM
где ai - угол наклона скважины на рассматриваемом участке, градус; Р - усилие резания, Н; п - частота вращения , с"1, /2 - длина скважины на участке контакта двух горных пород (м); а - коэффициент пропорциональности, м; Р0 - предел текучести породы, МПа; т - масса алмазов, карат; к - зерни-
стость алмазов, шт/карат; - суммарная высота матрицы и корпуса коронки, м; Уи- механическая скорость бурения, м/с.
Из анализа выражения (27) следует, что интенсивность искривления возрастает с увеличением осевой нагрузки, частоты вращения и диаметра алмазов, и уменьшается с увеличением твердости горной породы, в сторону которой искривляется скважина, механической скорости бурения и высоты породоразру-шающей компоновки /2. При возрастании частоты вращения снаряда темп роста механической скорости опережает рост частоты вращения, т.е. увеличение частоты вращения снаряда будет способствовать уменьшению интенсивности искривления. С увеличением высоты породоразрушающей компоновки интенсивность искривления также уменьшается. Следовательно, использование специальных алмазных коронок с удлиненным корпусом, диаметр гладкой части которого равен диаметру матрицы, а также установка над коронкой алмазных расширителей с удлиненным корпусом, диаметр гладкой части которого равен диаметру матрицы коронки, будут существенно способствовать уменьшению искривления скважин. Применение этого технического решения в коронках 02ИЗС позволило значительно уменьшить интенсивность искривления скважин при бурении в Центрально-Кольской ГРЭ. Это технологическое решение использовано также в конструкциях стабилизирующих переходников, применение которых в Комсомольской ГРЭ позволило снизить интенсивность искривления скважин.
При бурении в перемежающихся по твердости анизотропных породах интенсивность естественного искривления скважин в значительной мере зависит от геометрии торца матрицы алмазной коронки. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния опрокидывающего момента при бурении алмазными коронками, имеющими различную форму рабочего торца, на интенсивность искривления производственных скважин в бывших ПГО «Якутскгеология» и «Севзапгеология». При этом также были испытаны коронки, имеющие форму торца, профиль которого описывается линией равновесного износа, уравнение которой найдено на основании аналитического рассмотрения условия износа рабочего торца
Г = /(*)= 0,5-Кв
(28)
где У— функция радиуса коронки; Я,!^- соответственно текущий и внутренний радиусы коронки, м; V = -^Я2 + Я2 .
Анализ данных производственных испытаний показал, что интенсивность искривления при бурении коронками, профиль которых описывается линией равновесного износа (коронки К-41, К-45), уменьшается на 30-50%. Техническое решение относительно выполнения профиля торца по линии равновесного износа использовано при разработке коронок К-41, К-45 (а.с. №1040850).
Важное значение имеет вопрос о сохранности керна при бурении с наложением высокочастотных колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Анализ результатов испытаний в Норильской ГРЭ алмазных коронок К-30-0 и К-16-0, генерирующих на забое при бурении звуковые и ультразвуковые упругие колебания, показал, что высокочастотные упругие колебания снижают возможность заклинивания керна в колонковой трубе, снижают действие сил трения кусочков керна друг о друга и стенки колонковой трубы, что уменьшает степень их истирания, не происходит уплотнения кернового материала, устраняется подклинивание керна, и увеличивается углубка за рейс, повышаются сохранность керна и его выход (в отдельных случаях на 30-40%).
Четвертое защищаемое положение. Разработанные на основании результатов проведенных исследований специальный алмазный породо-разрушающий инструмент и технология его применения обеспечивают комплексное решение проблемы эффективного бурения разведочных скважин в сложных геологических условиях с получением кернового материала повышенного качества и значительным снижением расхода алмазов.
Значительный вклад в разработку керно-алмазосберегающей технологии в последние годы внесли ученые Е.А. Козловский, Д.Н. Башкатов, В.Г. Кардыш, А.Т. Киселев, В.И. Власюк, Л.К. Горшков, А.К. Калинин, Н.В. Соловьев, В.П. Онищин, Г.А. Блинов, Р.К. Богданов, В.И. Спирин, А.И. Осецкий, И.С. Афанасьев, В.Ф. Чихоткин, В.И. Васильев, Б.А. Новожилов, Г.А. Воробьев.
Е.А. Козловским разработана теория оптимизации и автоматизации процесса бурения геологоразведочных скважин на основе применения современных кибернетических систем и методологии системного подхода.
Известно, что конечным итогом бурения разведочных скважин является получение достоверной геологической информации при минимальных затратах времени и материально-технических ресурсов с помощью наиболее совершенных технических средств. Прогрессивным направлением развития разведочного бурения на твердые полезные ископаемые в сложных геологических условиях в настоящее время является применение новых технических средств — снарядов со съемными керноприемниками (КССК), снарядов для бурения с гидротранспортом керна (КГК), одинарных колонковых снарядов с применением сжатого воздуха и пен в комплекте со специальным алмазным породоразрушающим инструментом. Разработанная автором технология дополняет керно-алмазосберегаю-щую технологию ВИТРа за счет применения оригинального специального алмазного породоразрушающего инструмента.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований с учетом предложенной автором гипотезы разрушения горных пород получена зависимость для механической скорости бурения.
0,05 К,-Д-п-Р
Т(\ + Ке)+^-(\-е"") , (29)
К.
Рв(е1а+0т-вТ [.
а
где Кт - постоянная, выражающая отношение длины рабочих секторов коронки по окружности среднего радиуса к длине этой окружности; Д - наружный диаметр коронки, м; п - частота вращения коронки, с; Р - осевая нагрузка, даН; Ро - предел текучести породы, Мпа; Т- время работы коронки до износа, с; а, Ке - опытные коэффициенты; ¿4 - диаметр алмаза, м; i - расстояние между алмазными зернами по среднему радиусу коронки, м; в - толщина алмазосодержащей матрицы, м; т - количество алмазных зерен, расположенных по среднему радиусу коронки, шт.
На основании зависимости (29) выведены формулы, определяющие соотношение скоростей бурения при равных нагрузках и соотношение нагрузок при равных скоростях бурения для специальных коронок, отличающихся шириной рабочего торца. п
где Кд У2 -скорость бурения стандартными и специальными коронками, соответственно, м/с; Дс\, Дс1 - средний диаметр стандартной и специальной коронок, соответственно, м; Р\, Р2 - нагрузка на стандартные и серийные коронки, соответственно, даН; вь в2 - ширина рабочего торца стандартных и специальных коронок, соответственно, м
Нами была установлена с использованием зависимости (29) взаимосвязь углубки за 1 оборот коронки с параметрами режима бурения и шириной рабочего торца
Как видно го зависимостей (29) и (31) при прочих равных условиях углуб-ка за 1 оборот коронки находится в обратно-пропорциональной зависимости от ширины рабочего торца коронки. При бурении специальными коронками с повышенной шириной рабочего торца для достижения необходимой величины углубки за один оборот следует увеличивать осевую нагрузку.
Для определения оптимального момента снятия алмазной коронки при бурении [КССК] принят экономический критерий - величина углубки на коронку, при которой стоимость 1 м бурения ниже аналогичного показателя по базе сравнения.
С учетом этого получено выражение для конечной механической скорости бурения V и углубки на коронку Б, соответствующих моменту прекращения рейса по предложенному критерию:
Дс, -в,
(30)
¿06= ум!п
(31)
С(А-В)+1-т
, н л А~а—+а
2
п н
В = в— + с
V =
я-к-с
»
Р
(33)
где С - стоимость одной станко-смены за исключением стоимости истирающих, руб.; К - коэффициент дополнительного времени, равный 1,06; I - продолжительность одной станко-смены, час; <2 - стоимость 1 м бурения по базе сравнения, руб.; V - средняя механическая скорость бурения, м/ч; а Д в, с -опытные коэффициенты, равные соответственно а = 3,4-10"3 ч/м; с1= 0,72 ч; в = 1,5-10"3 ч/м; с = 0,37 ч; Я - глубина скважины, м; Р - проходка за цикл, м; т -стоимость коронки, руб.
При внедрении специального инструмента в ряде регионов производилась оптимизация режимов бурения. Проводились наблюдения за изменением механической скорости бурения от различных сочетаний осевой нагрузки на коронку и частоты вращения бурового снаряда. Расход промывочной жидкости поддерживается на постоянном уровне. Решалась задача получения зависимости механической скорости бурения от параметров Сипи определения по этой модели оптимального соотношения их, обеспечивающего максимальную скорость бурения при ограничении на осевой нагрузки. Наиболее полные комплексные исследования эффективности специального алмазного породоразрушающего инструмента выполнены на крупных рудных месторождениях Северного Таджикистана в Кайраккумской ГРЭ, где под методическим руководством автора был освосн алмазный инструмент для бурения КССК-76, а также разработанные ранее в Тульском НИГП эжекторные снаряды со специальными алмазными коронками, алмазные долота для направленного и многоствольного бурения с одновременным совершенствованием технологии бурения. Предварительно была проведена типизация геолого-технических условий месторождений, рекомендованы типы колонковых снарядов и произведен выбор алмазного породоразрушающего инструмента. При бурении коронками типов 17А4, К-16 и К-45 в Кайраккумской ГРЭ производилась оптимизация режимов бурения на основе применения регрессионного анализа (рис. 3).
На основе анализа данных рис. 3 рекомендованы оптимальные режимы бурения специальными алмазными коронками (табл. 1).
В Кайраккумской ГРЭ алмазные долота для направленного бурения применялись с отклонителями непрерывного действия типа ТЗ-3-73 и СБС-54. Эффективно использовались при отбурке с цементных мостов компановка, состоящая из коронки К-45 и алмазного долота АДН-22-59. Была отработана тех-
нология бурения алмазными долотами при искусственном искривлении сква жин.
P,äaH
1100 гооо 1100 то >чоо 1100 то т
\р \\ Ч
Рис. 3. Изолинии равных механических скоростей бурения Р - осевая нагрузка, п - частота вращения снаряда
ZSD JOS 3S0 ЧОО Ш ¡во SÍB п,вв/иин
Таблица 1. Рекомендуемые типы коронок и параметры режима бурения КССК-76 в Кайраккумской ГРЭ
Категория пород по бур юности Группа пород по трещино-ватости Тип поро-доразру-шающего инструмента Параметры режима бурения
осевая нагрузка, даН частота вращения, мин"1 количество промывочной жидкости, л/мин
VI-VHI 1-Й 17 A4 1250-1400 400-500 40-60
III-IV 17 A4 800-1200 200-350 50-70
VHI-IX I-II К-16 1500-1800 450-500 40-60
III-IV К-16 900-1100 200-300 50-70
X-XI I-II К-45 1900-2100 450-500 40-60
III-IV К-45 1000-1200 200-300 50-70
Примечание. Для калибровки скважин со всеми типами коронок применяются алмазные расширители РЦК.
í i-ос. национальная
i библиотека I С.Петербург
Í ОЭ 300 акт
При бурении сравнительно неглубоких скважин, где применение КССК-76 неэффективно, на объектах, характеризующихся особо сложным строением рудных зон, низкими скоростями бурения и выходом керна, применялись одинарные (ОЭС) и двойные (ДЭС) эжекторные снаряды со специальными алмазными коронками. Разработана рациональная технология бурения эжекторными снарядами, при которой выход керна повысился на 30-40 % и значительно уменьшился расход алмазов. Также установлено, что при бурении трещиноватых пород износ коронок увеличивается с возрастанием как осевых нагрузок на инструмент, так и частоты вращения снаряда. Причем эта зависимость проявляется в породах с разной степенью трещиноватости, но наиболее сильно в породах с удельной кусковатостью керна 35-40 шт/м и более. Специальный алмазный породоразрушающий инструмент нашел применение во многих геологических организациях России, стран СНГ, использовался в Болгарии. Результаты применения его в производственных условиях приведены в табл.2
Таблица 2. Технико-экономические показатели применения специального ал' мазного инструмента
Типоразмер инструмента Категория пород по буримо-сти Проходка на соронку, м Механическая скорость бурения, м/ч Расход алмазов, кар/м Линейный выход керна,0/» Экономический эффект на один инструмент, руб. в ценах 1987 г.
1 2 3 4 5 6 7
Инструмент для бурения КССК-76
17А4 У1-УШ 95 1,9/1,4* 0,17/0,25« 90/85* 51
К-16 УШ-1Х 71 1,7/1,2 0,33/0,46 92/81 68
К-18 У1-УШ 82 1,8/1,1 0,18/0,26 93/84 110
К-30 У-УИ 105 2,4/1,8 0,09/0,16 91/87 50
К-31 У-У1 84 2,2/1,7 0,11/0,15 91/82 120
К-70 УШ-Х 61 1,4/1,1 0,32/0,48 96/87 65
К-41 1Х-Х1 64 1,2/0,9 0,41/0,61 94/85 70
К-45 1Х-Х1 58 1,3/0,9 0,43/0,65 93/84 49
РКЦ-1 У1-Х1 810 - 0,010/0,015 - 35
РКЦ-3 У-1Х 600 - 0,012/0,018 - 85
Инструмент для бурения КССК-59
К-61 уи-к 67 2,4/1,8 0,22/0,33 95/83 41
К-62 У-У1 91 2,9/1,9 0,08/0,12 93/80 50
К-63 1Х-Х 59 1,8/1,3 0,29/0,44 97/85 36
РКЦ-7 У1-Х1 510 - 0,008/0,12 - 38
Коронки для бурения с эжекторными снарядами
16И4-59М Х-Х1 14 1,2/0,8 0,91/1,3 82/45 91
16И4-76М Х-Х1 16 1,2/0,9 0,99/1,39 80/50 82
ДЭА-76М УШ-1Х 22 1,3/0,8 0,83/1,16 75/33 61
ДЭИ-76М Х-Х1 21 1,1/0,7 0,91/1,18 78/40 78
к
я
Продолжение табл. 2
1 2 3 4 5 6 7
ДЭА-93М УШ-1Х 27 1,2/0,8 0,8/1,42 87/83 49
ДЭИ-93М Х-Х1 25 1,0/0,7 0,98/1,56 80/63 63
Ко| мжки для бурения с продувкой и пенами
МЦП1-76 У1-УШ 12 1,2/0,8 0,95/1,52 80/71 51 .
МЦПИ-76 УШ-1Х 15 1,1/0,7 0,98/1,96 75/68 57
МЦПИМ-76 УШ-Х 19 1,5/1,1 0,85/1,28 83/75 30
01АЗЖМ-59 УН-УШ 10 1,3/0,8 0,94/1,32 79/73 31
01АЗЖМ-76 УП-УШ 13 1,3/0,9 0,96/1,44 81/75 33
Долота для бескернового, направленного и многозабойного бурения
09АЗ-59М 1Х-Х 51 1,6/1,1 0,40/0,68 - 52
АДН-08М УН1-1Х 17 0,60/0,39 - - 41
ИДН-08М 1Х-Х 15 0,51/0,32 - - 34
АДН-22М УШ-1Х 18 0,65/0,43 - 32
ИДН-12М 1Х-Х 14 0,49/0,31 - - 30
Коронки для бурения с гидротранспортом керна (КГК-84)
В9 Ш-УШ 179 34,6/24,5 0,11 98/98 61
В9С Ш-УШ 166 31,5/24,5 0,13 98/98 43
В14 1У-1Х 98 14,2/9,3 0,17 98/98 31
* в числителе приведены данные для специального инструмента, в знаменателе - для базы сравнения.
Анализ данных табл. 2 показывает, что использование разработанного автором инструмента и керно-алмазосберегающей технологии бурения позволяет уменьшить удельный расход алмазов в 1,3-2,0 раза, увеличить механическую скорость бурения на 25-60 % и улучшить представительность керновых проб за счет увеличения линейного выхода керна на 6-22 % при бурении КССК, на 17-42 % при использовании эжекторных снарядов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Установлены закономерности формирования напряжений и деформаций в горной породе и породоразрушающем инструменте. Определено, что после приложения нагрузки наибольших значений напряжения достигают на контакте матрицы с корпусом коронки. Здесь величины интенсивности касательных напряжений достигают значений в 2,к3,3 раза больших, чем в областях, примыкающих к боковым стенкам и торцу матрицы коронки. С ростом удельной нагрузки напряжения в матрице растут быстрее, чем в алмазных зернах. Значение высоты деформации рабочей поверхности породоразрушающего сектора относительно алмаза находятся в интервале 2-10"6 - 24-10"6 мм. Касательные напряжения максимальны между алмазами. Регулируя расстояние между алмазными резцами, можно повысить эффективность разрушения породы.
2. Характер статического вдавливания алмазного икдентора в твердые породы отличается от аналогичного процесса при вдавливании твердосплавного: нагрузки, требуемые для достижения предельного состояния горной породы, пропорциональны квадратам радиусов кривизны вдавливаемых поверхностей зерен только при диаметре площади контакта более 1 -1,5 мм, при меньшем диаметре контакта появляется дополнительная зависимость нагрузки от возрастающего сопротивления породы внедрению.
3. Установлено, что по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя твердость породы по штампу возрастает по линейной зависимости. Для проявления влияния этой поверхности на эффективность разрушения твердых пород необходимо, чтобы ширина ступени составляла от 0,8 до 1.1 диаметра используемых алмазных зерен.
4. При работе единичного алмазного резца между двумя взаимно перпендикулярными компонентами силы взаимодействия с породой сохраняется постоянное соотношение, различное для разных пород, при котором сила нормального приложения в 2-4 раза превышает величину тангенциального усилия. При увеличении частоты вращения сила нормального приложения и величина тангенциального усилия возрастают незначительно (на 5-10 %).
5. При одновременном внедрении нескольких инденторов общее усилие, необходимое для осуществления процесса разрушения породы, в 1,2-1,6 раза меньше, чем суммарное усилие внедрения этих инденторов каждого в отдельности, причем максимум отделяемого объема разрушения наблюдается при размещении одновременно внедряемых инденторов в вершинах квадрата.
6. Установлено, что переход от полностью упругого разрушения к уп-ругопластическому при внедрении сферического индентора происходит тогда, когда радиус кривизны индентора уменьшается обратно пропорционально кубу предела текучести породы до некоторой критической величины. Определенные для твердых пород значения критического радиуса (0,10-0,34 мм) удовлетворительно корелируются с размерами алмазов (200+800 шт/карат), используемых при производстве импрегнированных коронок.
7. Наложение на цилиндрические инденторы ультразвуковых колебаний при вдавливании приводит к значительному снижению твердости по сравнению со статическим вдавливанием: мрамора в 1,5 раза; гранита в 1.9 раза, кварцита в 2,2 раза. Причем при небольших глубинах внедрения инденторов (0,05-Ю,25 мм) воздействие ультразвуковых колебаний вызывает снижение твердости горных пород в несколько раз: мрамора в 2,1 раза; гранита - в 2,8 раза, кварцита в 3,4 раза.
8. Разработана математическая модель процесса разрушения забоя алмазным зерном по схеме вдавливания сферы для разрушения упругих пород по схеме вдавливания со смещением при разрушении упруго пластичных, позволившая раскрыть механизм развития трещин и формирования нагрузки на алмазное зерно с учетом режима разрушения, прочности породы и геометрии резца. Установлено, что приложение сдвигающего усилия значительно снижает необхо-
димую для разрушения вертикальную нагрузку, а также существенно снижается удельная объемная работа разрушения.
9. Впервые исследована целесообразность применения в алмазных коронках для бурения с продувкой тепловых труб и определено, что величина оптимального заполнения теплового канала теплоносителем составляет 25 % от его объема, а оптимальный гидравлический диаметр капилляра пропорционален квадрату диаметра парового канала.
10. Предложены и практически реализованы методы расчета и определения конструктивных и технологических параметров специального алмазного инструмента различных типоразмеров: коронок и расширителей для КССК-76, КССК-59, коронок для бурения с продувкой воздухом и пенами, долот для бес-кернового, направленного и многозабойного бурения, коронок для бурения с гидротранспортом.
11. Разработаны и реализованы технико-технологические решения и приемы, являющиеся основой совершенствования процесса алмазного бурения специальным породоразрушающим инструментом в сложных геологических условиях, что позволяет существенно повысить качество бурения за счет увеличения выхода керна и соблюдения проектных трасс скважин и уменьшить его стоимость за счет увеличения производительности труда и уменьшения удельного расхода бурового инструмента и материалов.
12. Применение разработанных специальных технических средств и технологии алмазного бурения на большинстве крупных месторождений руд и угля России и стран СНГ позволяет существенно укрепить их минерально-сырьевую базу.
13. Прямой годовой экономический эффект от внедрения методики проектирования, изготовления и применения специального алмазного породо-разрушающего инструмента составил свыше 1490 тыс. руб.
14. Для совершенствования специального алмазного породоразру-шающего инструмента с целью расширения областей его применения и повышения его конкурентоспособности необходимо:
- дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных методов исследований механизма разрушения горных пород этим инструментом:
- разработка компьютерных технологий проектирования и изготовления;
- создание виброактивных, съемных алмазных коронок, вставных и съемных алмазных долот для КССК, алмазных коронок для бурения КГК в твердых породах и породах средней твердости, алмазных коронок с тепловыми трубами для бурения с применением сжатого воздуха и пен и стабилизирующего алмазного породоразрушающего инструмента, целесообразность чего уже доказана лабораторными и опытно-экспериментальными работами в производственных условиях.
Основные положения диссертации опубликованы в 108 работах, основными из которых являются следующие:
Монографини
1. Будюков Ю.Е. Создание и производство специального алмазного бурового инструмента. - М, МГП «Геоинформмарк», 1993.-40 с.
2. Будюков Ю.Е. Разработка рекомендаций по проектированию, изготовлению и применению специального алмазного инструмента для бурения геологоразведочных скважин. Депонировано в ВИЭМС № 1160 МГ02. - М., 2002. - 250 с.
3. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Горшков J1.K., Осецкий А.И., Рябчиков С.Я., Спирин В.И. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента - М, ЗАО «Геоинформмарк», 2002. -140 с.
Брошюры
4. Будюков Ю.Е., Солтыш В.М., Фашмухов Б.У., Чугунов Б.С. Пути повышения износоустойчивости мелкоалмазных коронок. - М., ВИЭМС, выпуск №49 (2). 1965.-20 с.
5. Суманеев H.H., Будюков Ю.Е., Гренадер М.Е., Волков Л.Л. Алмазный по-родоразрушающий инструмент для бурения снарядами со съемными кер-ноприемниками (КССК) - М., ВИЭМС, 1977. - 30 с.
6. Будюков Ю.Е., Белов A.M. Зарубежные и отечественные конструкции съемных коронок для бурения геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых- М., ВИЭМС, 1989.-28 с.
7. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Селедкин Е.М. Расчет напряженно-деформированного состояния системы алмазная коронка-забой в пределах и за пределами упругости методом конечных элементов. Депонировано в ВИЭМС № 1169 МГ02 - М., 2002 - 14 с.
Статьи
8. Чугунов Б.С., Будюков Ю.Е., Фашмухов Б.У. Опыт применения алмазов низкого качества для изготовления бурильного инструмента.- Сб.: Опыт бурения алмазными долотами нефтяных и газовых скважин. - М., ВНИИОЭНГ, 1966.-С. 15-18.
9. Будюков Ю.Е., Чугунов Б.С. Рациональный принцип размещения алмазов в коронках для бурения горноразведочных скважин,- Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 4 - М., НИИМАШ, 1968. - С. 7-9.
10. Будюков Ю.Е., Касаточкин A.B., Гренадер М.Е., Романов В.П., Алимбеков Б.Д., Шишмаков В.А.Эффективность бурения алмазными долотами малого диаметра. - Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 1. - М., НИИМАШ, 1970. -С. 14-18.
11. Степанов П.М., Суманеев H.H., Будюков Ю.Е., Романов В.П. Повышение эффективности алмазного бурения с продувкой воздухом - Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 3. - М., НИИМАШ, 1970. - С. 47-50.
12. Гренадер М.Е., Касаточкин A.B., Будюков Ю.Е. - Новое в технологии изготовления графитовых форм для алмазного бурового инструмента Науч-но-тех. реф. Сб.: Алмазы, вып. 6. - М, НИИМАШ, 1970. - С. 10-12.
13. Горшков JI.K., Будюков Ю.Е., Яковлев A.M. Рациональные насыщенность и крупность объемных алмазов импрегнированных коронок для бурения с продувкой - Изв. вузов, горный журнал, 1971, №9. - С. 15-18.
14. Горшков J1.K. Будюков Ю.Е. - Особенности технологии бурения с продувкой однослойными коронками с различными насыщенностью и зернистостью алмазов Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 11. - М., НИИМАШ, 1971.-С. 24-29.
15. Горшков Л.К., Будюков Ю.Е., Касаточкин А.В Температурные напряжения как один из факторов разрушения керна при бурении с продувкой.- Физи-ко-техн. пробл. разраб. полезн. ископ., 1971, №6. - С. 55-59.
16. Бурачек H.A., Будюков Ю.Е. Насыщенность алмазного породоразрушаю-щего инструмента, методы ее расчета и контроля - Труды, ЦНИГРИ, вып. 106.-М, 1973.-С. 152-156.
17. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Гренадер М.Е., Котельников Е.С., Старков В.А., Волков Л.Л. Некоторые особенности технологии изготовления специальных алмазных коронок - Труды, ЦНИГРИ, вып. 106. - М., 1973. - С. 143-146.
18. Горшков Л.К., Слюсарь И.Е., Будюков Ю.Е. Особенности бурения с продувкой воздухом скважин малых диаметров по моренным отложениям Тырныаузского месторождения - Записки ЛГИ т.66, вып. 1. - Л., 1973. - С. 89-92.
19. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Веденеев Л.В., Волков Л.Л., Касаточкин A.B. Разработка новых алмазных коронок для бурения осадочных пород.-Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 4. -М., НИИМАШ, 1974-С. 15-18.
20. Слюсарь И.Е. Будюков Ю.Е., Запольский В.Л Опыт работы коронками, армированными синтетическими сверхтвердыми материалами. - . Материалы науч. конф. европейск. стран - членов СЭВ и СФРЮ, «Синтетические алмазы». - Киев, 1974.
21. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Веденеев Л.В., Волков Л.Л. Исследование влияния формы рабочего торца на работоспособность алмазных коронок для ССК. - Труды ЦНИГРИ, вып. 117. - М., 1974. - С. 55-58.
22. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Веденеев Л.В., Волков Л.Л. Горшков Л.К. Исследование работоспособности опытных однослойных алмазных коронок при бурении с продувкой воздухом - Записки ЛГИ т. 71, вып. 2. - Л., 1974.-С. 74-79.
23. Горшков Л.К., Будюков Ю.Е. Опыт бурения специальными алмазными коронками МЦП с продувкой воздухом - Нучно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 4. - М., НИИМАШ, 1975. - С. 10-19.
24. Слюсарь И.Е., Будюков Ю.Е. Исследования по определению рациональной осевой нагрузки на резцовую коронку. - Сб.: Химия вольфрама и молибдена, №3, КБГУ. - Нальчик, 1976. - С. 61-63.
25. Будюков Ю.Е., Суманесв H.H., Константинов A.C. Алмазные коронки для бурения в мягких породах снарядом со съемным керноприемником. - На-учно-техн. реф. Сб.: Алмазы, вып. 7. - М., НИИМАШ, 1976. - С. 9-11.
26. Будюков Ю.Е., Слюсарь И.Е Аналитическое определение рациональной осевой нагрузки на резцовую коронку. - . Записки ЛГИ, т. 71, вып. 2. - Л., 1976.-С. 51-54.
27. Суманеев H.H., Будюков Ю.Е., Шадрин И.А. Комплекс алмазного породо-разрушающего инструмента для снарядов КССК-76 .- Разведка и охрана недр, 1976, №9.-С. 19-27.
28. Волков Л.Л., Будюков Ю.Е. Полуавтоматический режим прессования графитовых пресс-форм. - Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы и сверхтвердые материалы, вып. 6. - М, НИИМАШ, 1977. - С. 5.
29. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Матохин В.В., Волков Л.Л. Результаты исследования работы зубчатых алмазных коронок для бурения снарядом со съемным керноприемником. - Труды ЦНИГРИ, вып. 147. - М„ 1979. - С. 75-80.
30. Будюков Ю.Е., Суманеев RR, Волков Л.Л. Эффективность бурения резцовыми алмазными коронками. - Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы и сверхтвердые материалы, вып. 6. - М., НИИМАШ, 1980. - С. 6-7.
31. Будюков Ю.Е., Глаголев В.Н., Гренадер М.Е., Плеханов М.И. Результаты внедрения эжекторных снарядов в Амурской ГРЭ. - Труды ЦНИГРИ, т. 164.-М., 1981.-С. 26-30.
32. Будюков Ю.Е., Плеханов М.И., Гренадер М.Е., Волков Л.Л. Алмазные коронки дня бурения с гидротранспортом керна. - Разведка и охрана недр, 1982, №10. - С. 62-64.
33. Будюков Ю.Е., Плеханов М.И., Гренадер М.Е., Тулянкина A.R, Глаголев B.R Разработка коронок, армированных синтетическими алмазами, для бурения с гидротранспортом керна. - Сб. трудов ВПО «Союзгеотехника». -М., 1983.-С. 35-39.
34. Плеханов М.И., Будюков Ю.Е. Конструктивные особенности алмазных коронок для брения с гидротранспортом керна. - Сб. трудов ВПО «Союзгеотехника». - М., 1983. - С. 47-55.
35. Будюков Ю.Е. К вопросу разработки математической модели износа алмазной коронки. - Труды ЦНИГРИ, т. 180. - М., 1983. - С. 61-66.
36. Будюков Ю.Е. Новый алмазный расширитель для калибровки скважин/ соавтор Л.Л. Волков/ И.Л., № 21-81, ЦНТИ - Тула, 1981 -4 с.
37. Будюков Ю.Е., Воропаев И.Е., Валков Л.Л., Старков В.А. Совершенствование технологии алмазного бурения КССК-76. - Разведка и охрана недр, 1984, №6.-С. 31-34.
38. Будюков Ю.Е., Романов В.П., Волков Л.Л., Глаголев B.R Совершенствование технологии алмазного бурения на месторождениях Северного Таджикистана с применением технических средств конструкции ЦНИГРИ. -Э.И. ВИЭМС, вып. 9, М., 1984. - С. 1-9.
39. Будюков Ю.Е., Баскилович И.А., Волков Л.Л., Гренадер М.Е. Алмазный породоразрушающий инструмент, созданный в ЦНИГРИ. - Разведка и охрана недр, 1988, №9. - С. 29-34.
40. Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Матохин В.В. К вопросу совершенствования технологии изготовления алмазного породоразрушающего инструмента в
графитовых прессформах. - Труды ЦНИГРИ, вып. 164. - М„ 1981. -С. 6468.
41. Волков J1.J1., Будюков Ю.Е., Князев В.М. Результаты испытаний породо-разрушающего инструмента, армированного синтетическими алмазами при бурении комплексами КССК-76. -. Э.И. ВИЭМС, М., вып. 5, 1988. - С. 7-9.
42. Будюков Ю.Е., Суманеев H.H. Применение новых импрегнированных алмазных коронок для бурения с продувкой. - Научно-техн. реф. Сб.: Алмазы и сверхтвердые материалы, вып. 3. - М., НИИМАШ, 1977. - С. 11-13.
43. Белов A.M., Будюков Ю.Е. Исследование напряженного состояния системы забой-съемная коронка методом конечных элементов. - Изв. вузов, геология и разведка, 1990 №7. - С. 105-111.
44. Белов A.M., Будюков Ю.Е. Результаты испытаний съемных алмазных коронок для КССК-76. - Сборник, вып. 112. - М., Геоинформмарк, 1993. - С. 62-66.
45. Будюков Ю.Е., Коваль Г.И., Русикова Т.И. Новый комплекс алмазного инструмента для бурения КССК-76. - Сборник, вып. 1-2. - М., Геоинформмарк, 1994.-С. 63-65.
46. Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А., Будюков Ю.Е. Создание алмазного инструмента с повышенными эксплуатационными параметрами Тезисы докладов IV Международного симпозиума по бурению скважин. С.Петербург, Горный инст., 1998. - С. 96.
47. Будюков Ю.Е., Котельников Е.С., Антонович A.A. Исследование работоспособности буровых коронок, армированных алмазными поликристаллами. - Сборник, вып 5. - М., Геоинформмарк, 1998. - С. 37-41.
48. Будюков Ю.Е. Научные основы создания специального алмазного инструмента и их применение в конструкциях и технологии бурения геологоразведочных скважин. - Тезисы докладов IV Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» Т.З. - М, МГТА, 1999. - С. 197.
49. Будюков Ю.Е. Специальный алмазный породоразрушающий инструмент, технология его изготовления и применения. - Тезисы докладов 5-ой международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент». - Киев, 2002. - С. 50-51.
50. Бессонов Ю.Д., Будюков Ю.Е. Опыт применения коронок с корпусами из композиционных материалов в геологоразведочной практике. - Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 25: Межвузовский научно-темат. Сборник/Ред. Кол.: О.В. Ошкордин (отв. Редактор) и др. Екатеринбург: Уральская гос. горно-геол. академия. 2003, с.69-70.
Патенты на изобретения и авторские свидетельства на полезные модели
51. A.C. № 424959. Алмазная буровая коронка /Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Горшков JI.K., Кудряшов Б.Б./ - Бюл.гообр., 1974, №15.
52. A.C. №572567. Виброгасящее устройство / Будюков Ю.Е., Романов В.П./ -Бюл.изобр., 1977, №34.
53. A.C. №596709. Алмазная коронка /Суманеев H.H., Будюков Ю.Е., Волков Л. Л./ - Бюл.изобр., 1978, № 9
54. A.C. №597807. Алмазная буровая коронка /Будюков Ю.Е., Суманеев H.H./ -Бюл.изобр., 1978, №10.
55. A.C. №784399. Алмазный расширитель /Будюков Ю.Е., Хажуев В.Ш., Хаширов В.К., Руднев Н.Д./ - 1979, ДСП.
56. A.C. №1136514. Алмазная буровая коронка. /Будюков Ю.Е., - 1982, ДСП.
57. A.C. №1011339. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента / Панин Н.М., Будюков Ю.Е. / - Бюл.изобр., 1983, №14.
58. A.C. №901547. Алмазный расширитель /Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Волков Л.Л., Хажуев В.Ш., Руднев И.Д., Хаширов В.К., Гоов A.A./ -Бюл.изобр., 1982, №4.
59. A.C. №825833. Коронка для бурения с гидротранспортом керна / Романов В.П., Плеханов М.И., Будюков Ю.Е., Гренадер М.Е./ - Бюл.изобр., 1981, Xsl 6.
60. A.C. №1040850. Алмазная импрегнированная коронка /Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Волков Л.Л./ - Бюл.изобр., 1984, №43.
61. A.C. №1069476. Алмазная буровая коронка /Будюков Ю.Е., Волков Л.Л./ -Бюл.изобр., 1984, №43.
62. A.C. №1100965. Съемная буровая коронка / Будюков Ю.Е., Михеев В.К./ - 1983, ДСП.
63. A.C. №1158293. Способ изготовления из порошка изделий сложной формы / Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Гренадер М.Е., Старков В.А./ - Бюл.изобр., 1985, №20.
64. A.C. №1116142. Колонковый снаряд / Воропаев И.Е., Селиванов А.Н., Будюков Ю.Е., Мельничук И.П./ - Бюл.изобр., 1984, №36.
65. A.C. №1222811. Алмазная зубчато-ступенчатая коронка / Будюков Ю.Е., Михеев В.К., Волков Л.Л., Фоменко Н.И./ - Бюл.изобр., 1986, №13.
66. A.C. №1291277. Способ изготовления шихты для прессования графитовых форм. / Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Гренадер М.Е., Старков В.А./-Бюл.изобр., 1987, №7.
67. A.C. №1510255. Пропиточный сплав / Будюков Ю.Е., Старков В.А., Волков Л.Л., Тулянкина А.Н./ -1986, №10.
68. A.C. №1689581. Породоразрушающий инструмент / Белов A.M., Будюков Ю.Е., Никитаев В.А./ - Бюл.изобр., 1991, ДСП.
69. A.C. №1350164. Шихта графитовых прессформ / Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Гренадер М.Е., Старков В.А./ - Бюл.изобр., 1987, №41.
70. A.C. №1317771. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента /Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Михеев В.К./ -1984, ДСП.
71. A.C. №1452920. Алмазная коронка для бурения с гидротранспортом керна / Будюков Ю.Е., Плеханов М.И., Гренадер М.Е., Кузьмин И.В. и др./ -Бюл.изобр., 1989, №3.
72. A.C. №1582720. Снаряд со съемной коронкой /Белов A.M., Будюков Ю.Е., Никаноров A.M./ -1987, ДСП.
73. A.C. №1641974. Алмазная коронка для бурения с продувкой воздухом /Будюков Ю.Е., Суманеев H.H., Волков JI.JI., Селиванов А.Н./ -Бюл.изобр., 1991, №14.
74. A.C. №1637932. Пуансон для изготовления породоразрушающего инструмента /Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Русикова Т.Н./ - Бюл.изобр., 1991, №12.
75. A.C. №1668618. Буровая коронка /Гренадер М.Е., Будюков Ю.Е., Белов A.M./ -Бюл.изобр., 1991, №29.
76. A.C. №1687759. Виброгаситель наддолотный /Никитаев В.А., Баскилович И.А., Будюков Ю.Е., Белов A.M. и др./ - Бюл.изобр., 1991, №40.
77. A.C. №1738680. Способ изготовления буровой коронки /Никитаев В.А., Белов A.M. Будюков Ю.Е.,/- Бюл.изобр., 1992, №21.
78. A.C. №1751290. Колонковый снаряд /Белов A.M. Будюков Ю.Е./ -Бюл.изобр., 1992, №28.
79. A.C. №1771972. Способ изготовления алмазного инструмента /Белов А.М. Будюков Ю.Е./-Бюл.изобр., 1992, №40.
80. A.C. №1708518. Способ изготовления буровой коронки /Белов A.M. Будюков Ю.Е./ - Бюл.изобр., 1992, №4.
81. A.C. №1327558. Пропиточный сплав на основе меди для алмазного бурового инструмента /Старков В.А., Будюков Ю.Е., Волков Л.Л., Гренадер М.Е./-1985, ДСП.
82. A.C. №1444138. Способ изготовления алмазного инструмента и устройство для его осуществления /Волков Л.Л., Будюков Ю.Е., Старков В.А./ -Бюл.изобр., 1988, №46.
83. A.C. №1609939. Алмазная буровая коронка /Суманеев H.H., Будюков Ю.Е., Волков Л.Л./ - Бюл.изобр., 1988, №44.
84. A.C. №1139179. Коронка для бурения с гидротранспортом керна /Будюков Ю.Е., Плеханов М.И., Гренадер М.Е., Волков Л.Л. и др./-1983, ДСП.
85. Свидетельство на полезную модель №20122. Буровая коронка./ Будюков Ю.Е., Власюк В.И./ - Бюл.изобр., 2001, № 29.
86. Патент РФ на изобретение №2049655. Способ изготовления алмазного инструмента /Никитаев В.А., Белов A.M., Будюков Ю.Е./ - Бюл.изобр., 1996, №34.
87. Патент РФ на изобретение №2083252. Абразивный режущий инструмент /Белов A.M., Никитаев В.А., Будюков Ю.ЕУ - Бюл.изобр., 1997, №19.
88. Патент РФ на изобретение №2071913. Способ изготовления инструмента /Белов A.M., Никитаев В. А., Будюков Ю.Е./ - Бюл.изобр., 1997, №2.
89. Свидетельство на полезную модель №10767. Алмазная ступенчатая коронка /Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А./ - Бюл.изобр., 1999, №8.
90. Патент РФ на изобретение №2152504. Алмазный расширитель /Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А. и др./ - Бюл.изобр., 2000, №19.
91. Патент РФ на изобретение №2156186. Способ изготовления алмазного по-родоразрушающего инструмента./Будюков Ю.Е./ - Бюл.изобр., 2000, №26.
92. Патент РФ на изобретение №2172294. Способ электрохимической рекуперации алмазов /Спирин В.И., Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Постыляков В.М./- Бюл.изобр., 2001, №23.
93. Патент РФ на изобретение №2167260. Алмазная буровая коронка для бурения с продувкой воздухом / Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А./ - Бюл.изобр., 2001, №14.
94. Патент РФ на изобретение №2169249. Алмазная буровая коронка /Волков JI.JI., Будюков Ю.Е./ - Бюл.изобр., 2001, №17.
95. Свидетельство на полезную модель №20121. Алмазная буровая коронка /Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А., Белов А.М., Не-китаев В. А./- Бюл.изобр., 2001, №29.
96. Патент РФ на изобретение № 2165885. Электролит для электрохимической рекуперации алмазов /Спирин В.И., Власюк В.И., Будюков Ю.Е./ -Бюл.изобр., 2001, №12.
97. Патент РФ на изобретение №2175590. Способ изготовления алмазного инструмента /Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И., Ососов И.А./ -Бюл.изобр., 2001, №31.
98. Патент РФ на изобретение № 2202440. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента /Спирин В.И., Левин Д.М., Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Ососов И.А./ - Бюл.изобр., 2003, № 11.
РИЦ ФГУНИГП «Тульское НИГП» 26.08.2003. Зак. 261. Т. 120 экз. 300026, г. Тула, Скуратовская, 98
i
+ U112
Содержание диссертации, доктора технических наук, Будюков, Юрий Евдокимович
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
КОНСТРУИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ и
ПРИМЕНЕНИЯ АЛМАЗНОГО
ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.
1.1. Современные представления о разрушении горных пород алмазным инструментом.
1.2. Анализ исследований по влиянию конструктивных параметров алмазного инструмента на эффективность разрушения горных пород.
1.3. Современное состояние технологии изготовления алмазного породоразрушающего инструмента и пути её совершенствования.
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-• ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАБОЯ,
АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА И КЕРНА ПРИ БУРЕНИИ
2.1. Методика комплексных исследований.
2.2. Аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния системы забой - алмазная ^ коронка методом конечных элементов.
2.3. Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия единичного индентора и группы инденторов с горной породой.
2.4. Влияние формы забоя на эффективность разрушения по
2.5. Исследование условий формирования керна и зоны предразрушения при бурении.
2.6. Исследование температурных напряжений в керне при алмазном бурении с продувкой. jq^
2.7. Моделирование температурного режима работы алмазных коронок и разработка методов повышения их тер* мостойкости.
2.8. Исследование влияния УЗК на процесс вдавливания индентора в горную породу.
Глава 3. РАЗРАБОТКА РЯДА СПЕЦИАЛЬНОГО АЛМАЗНОГО
ПОРОДОРАЗРУШЛЮЩЕГО НСТРУМЕНГА.
3.1. Разработка математической модели износа алмазной коронки.
3.2. Выбор основных конструктивных параметров коронок для бурения снарядами со съемными керноприемниками ^q
3.3 Разработка алмазных коронок для бурения с гидротранспортом керна.
3.4. Разработка алмазных долот для направленного и многозабойного бурения.
3.5. Разработка алмазных коронок для эжекторных снарядов.
3.6. Разработка специальных алмазных расширителей.
3.7. Разработка алмазного стабилизирующего породоразру-шающего инструмета.
3.8. Исследование и разработка специальных виброактивных алмазных коронок. I gQ
Глава 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ
СПЕЦИАЛЬНЫМ АЛМАЗНЫМ
ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ.
4.1. Анализ особенностей процесса алмазного бурения специальными алмазными коронками.
4.2. Лабораторные исследования.
4.3. Экспериментальные исследования в производственных условиях.
4.4. Установление критерия оптимальной продолжительнощ сти рейса.
Глава 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СПЕЦИАЛЬНОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА И
НАПРАВЛЕНИЕ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
5.1. Эффективность от использования выпускаемого инструмента.
5.2. Основные направления дальнейших исследований.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка научных основ проектирования специального алмазного породоразрушающего инструмента и технологии его применения"
Актуальность проблемы. В условиях переходного периода Российской Федерации от плановой к рыночной экономике её минерально-сырьевые ресурсы приобретают исключительно важное значение. Дальнейшее развитие минерально-сырьевой базы благородных, цветных, редких металлов и других полезных ископаемых определено Федеральной отраслевой программой «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 10 декабря 2001 г. № 860. Важнейшей задачей в решении проблемы оценки ресурсного потенциала территории Российской Федерации на твердые полезные ископаемые является повышение геологической и технико-экономической эффективности буровых работ, что невозможно без современного технико-технологического обеспечения этих работ.
Бурение скважин является основным способом разведки полезных ископаемых. При этом наиболее эффективным в настоящее время и обозримом будущем способом сооружения скважин в твердых породах является алмазное бурение с применением алмазного порододоразрушающего инструмента, предназначенного для бурения с отбором керна прогрессивными техническими средствами в сложных горно-геологических условиях: колонковыми снарядами со съемными керноприемниками (КССК), комплексами для бурения с гидротранспортом керна (КГК), одинарными колонковыми снарядами с применением сжатого воздуха и пен, эжекторными снарядами, а также для бескерново-го и направленного бурения безклиновыми снарядами. Существенное повышение геологической информативности бурения и эффективности технологии сооружения буровых скважин различного назначения в сложных горногеологических условиях зависит от уровня научного обоснования основных конструктивных параметров специального алмазного породоразрушающего инструмента (САПРИ), технологии его изготовления и применения. САПРИ (коронки, долота, расширители и др.) отличается от стандартного алмазного инструмента как конструктивно, так и по технологии изготовления. Вопросы повышения производительности, качества и экономичности бурения путем создания, внедрения и совершенствования САПРИ имеют постоянную актуальность.
В развитие геологоразведочного бурения в РФ и СНГ внесла крупный вклад значительная плеяда известных ученых исследователей и конструкторов: Воздвиженский Б.И., Шамшев Ф.А., Эпштейн Е.Ф., Волков С.А., Козловский Е.А., Сулакшин С.С., Башкатов Д.Н., Остроушко И.А., Калинин А.Г., Ребрик Б.М., Кудряшов Б.Б., Царицын В.В., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Власюк В.И., Соловьев Н.В., Яковлев A.M., Тараканов С.Н., Горшков Л.К., Онищин В.П., Левицкий А.З., Кривошеее В.В., Ошкордин О.В., Морозов Ю.Т., Афанасьев И.С., Осецкий А.И., Спирин В.И., Корнилов Н.И., Курочкин П.Н., Блинов Г.А., Рожков В.П., Чихоткин В.Ф. Рябчиков С.Я., Яковлев А.А., Костин Ю.С. и ряд других.
Большое внимание уделили в своих работах проблемам создания алмазного породоразрушающего инструмента: Арцимович Г.В., Архипов А.С., Гореликов В.Г., Копылов В.Е. Сахаров А.В., Касаточкин А.В.» Сладков В.И., Эйге-лес P.M., Субботин Е.К., Суманеев Н.Н., Соловов Ю.Г., Мельничук И.В., Михеев Н.Н., Гренадер М.Е., Глазов М.Г.,Белов A.M., Богданов Р.К., Бурачек Н.А., Рябчиков С.Я., Пономарев П.П., Вовчановский И.Ф., Воропаев И.Е., Иванов О.В., Панин Н.М., Умов А.П., Исаев М.И. и др.
Однако возможности совершенствования алмазного породоразрушающего инструмента, в том числе и специального на научном, конструкторском и технологическом уровне далеко не исчерпаны. Алмазное бурение в сложных горно-геологических условиях сопровождается не достаточно эффективным использованием подводимой к забою энергии, перегревом рабочего торца матриц коронок, аномальным износом породоразрушающей части инструмента и не всегда приемлемым геологическим качеством работ. В этой связи актуальность поставленных в данной работе задач вполне очевидна.
Работа выполнялась в Федеральном государственном унитарном научно-исследовательском геологическом предприятии «Тульское НИГП».
Исходными материалами диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-производственных исследований, выполненных автором в 1970-2003 г.г. в соответствии с координационными и отраслевыми программами бывших Мингео СССР, Минстанкопрома, Рос-комнедра и Министерства природных ресурсов Российской Федерации, а также планами НИОКР ФГУНИГП «Тульское НИГП» по 25 госбюджетным и хоздоговорным темам. В большинстве перечисленных НИОКР автор выступает в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя.
Цель работы - повышение геологической и технико-экономической эффективности бурения разведочных скважин за счет создания и применения специального алмазного породоразрушающего инструмента, позволяющего интенсифицировать процесс разрушения горных пород на забое при благоприятных условиях для формирования и сохранения целостности керна.
Идея работы - совершенствование процесса алмазного бурения на основе применения нового специального породоразрушающего инструмента.
Задачи исследований
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: аналитическое исследование взаимодействия единичного алмаза и группы алмазов с горной породой и разработка конечно-элементного метода анализа напряженно-деформированного состояния системы забой - алмазная коронка; исследование сопротивления пород вдавливанию ин-дентора от размеров напряженной зоны; исследование особенностей разрушения углового участка забоя скважин и взаимодействия с породой нескольких инден-торов и определение рациональной схемы их установки в инструменте; экспериментальные исследования особенностей механизма разрушения пород при действиях на породоразрушающий s элемент одновременно статического усилия и ультразвуковых колебаний; изучение условий формирования забоя, керна и зоны предразрушения при бурении; исследование теплопередачи в тепловом канале коронки для определения его геометрических параметров; исследование влияния отдельных конструктивных, кинематических и динамических факторов на характер износа различных типов алмазного инструмента; исследование влияния режимов бурения на работоспособность инструментов и геологическое качество работ.
Методы исследований
Для решения поставленной проблемы использовался комплексный метод исследований, включающий: научный анализ и обобщение результатов своих работ, результатов работ других авторов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по алмазному породоразрушающему инструменту, технологии его изготовления и применения и обоснование на этой основе задач исследований по повышению эффективности процесса алмазного бурения в сложных горно-геологических условиях; аналитические и экспериментальные исследования механизма разрушения горных пород при вдавливании (в том числе и с наложением ультразвуковых колебаний) инструментов; исследование теплопередачи в алмазной коронке; экспериментальные исследования на стендах с использованием естественных блоков твердых горных пород с целью оптимизации процесса алмазного бурения скважин; математико-статистический анализ экспериментальных и производственных данных для определения степени их достоверности и вывод эмпирических формул и поправочных коэффициентов; технико-экономические исследования эффективности применения специального алмазного инструмента и совершенствование керносберегающей технологии бурения геологоразведочных скважин.
Научная новизна проведенных исследований заключается в получении следующих приоритетных результатов:
1. Установлены закономерности формирования напряжений в элементах породоразрушающей части коронки и в горной породе при их взаимодействии, заключающиеся в том, что после приложения нагрузки наибольших значений касательные напряжения достигают в области сектора коронки, примыкающей к границе внешних воздействий сил, а в горной породе на границе бокового контакта алмаза с матрицей и между алмазными зернами. С увеличением удельной нагрузки напряжения в матрице коронки растут быстрее, чем в алмазных зернах.
2. Выявлены основные закономерности взаимосвязи сопротивления пород вдавливанию индентора от размеров возникающей при этом в породе напряженной зоны, заключающиеся в возрастании сопротивления пород вдавливанию по мере уменьшения, начиная с некоторого значения диаметра напряженной зоны.
3. Установлены закономерности изменения твердости породы по штампу по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя, при которых она распределяется в этом направлении в порядке прямолинейного возрастания.
4. Открыто для упруго-хрупких пород и минералов явление перехода от полностью упругого разрушения к упругопластическому при внедрении сферического индентора, когда радиус кривизны индентора уменьшается обратно пропорционально кубу предела текучести породы до некоторой критической величины.
5. Выявлены закономерности влияния ультразвуковых колебаний на снижение прочности породы. Установлено, что при наложении ультразвуковых колебаний на инструмент, внедряемый в горную породу, твердость ее существенно снижается, причем в приповерхностном слое породы твердость уменьшается в несколько раз.
6. Определены закономерности нагрева и охлаждения алмазной коронки, заключающиеся в уменьшении её теплонапряженности в зоне контакта с породой за счет повышения теплопроводности материала матрицы и корпуса, изменения агрегатного состояния теплоносителя, термодеструкции нетермостабильного компонента матрицы и снижения забойной мощности.
7. Установлены закономерности распределения алмазов в матрице коронки в зависимости от их эквивалентного диаметра, насыщенности ее торца алмазами и твердости пород, заключающиеся в возрастании межзернового расстояния при увеличении эквивалентного диаметра алмазов и повышении требуемой насыщенности с возрастанием твердости буримых пород.
8. Выявлены закономерности распределения напряжений в керне при его образовании и установлен новый механизм повышения сохранности керна, заключающийся в уменьшении его напряженного состояния за счет снижения: касательных напряжений от крутящего момента на коронке и температурных напряжений, возникающих вследствие генерируемого на забое тепла, а также силы удара струи промывочной жидкости о керн путем уменьшения площади контакта керна со струей.
9. Установлены закономерности взаимосвязи конструктивных элементов специального алмазного инструмента, параметров технологического режима, механической скорости бурения и удельного расхода алмазов от подводимой к забою мощности. и
Практическая ценность работы.
1). Разработан и внедрен в сложных горно-геологических условиях многих рудных и угольных месторождений комплекс новых высокоэффективных технических и технологических решений, включающий:
• специальный алмазный породоразрушающий инструмент для бурения снарядами со съемными керноприемниками (КССК-59, КССК-76), гидротранспортом керна (КГК), эжекторными и одинарными снарядами, обеспечивающий высокие механическую и рейсовую скорости, приемлемый уровень геологической информативности керна и значительное снижение удельного расхода алмазов;
• породоразрушающая компоновка колонкового снаряда, стабилизирующая направление ствола скважины за счет выполнения формы торца коронки по расчетной кривой равномерного износа, увеличения диаметра и высоты корпуса коронки и расширителя и уменьшения крупности армирующих алмазов;
• научно-методические основы определения и выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров специального алмазного поро-доразрушающего инструмента для бурения разведочных скважин.
2). Разработанные типы специального алмазного породоразрушающего инструмента показали высокую эффективность при бурении в сложных горногеологических условиях большинства месторождений России и стран СНГ. Комплексы алмазного породоразрушающего инструмента для КССК-76 использовались для повышения качества работ в республике Болгария. Всего с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента с 1981 по 2002 год пробурено более 4600 тыс. м разведочных скважин.
3). Патентная новизна ряда технических решений подтверждается 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и свидетельствами на полезные модели.
4). Опубликованные материалы включены в три монографии, пять учебников, три справочника и инструкции различных авторов для использования в учебной и научно-производственной деятельности.
Достоверность н обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и технико-технологических решений автора диссертации доказана большим фактическим материалом и сходимостью полученных теоретических решений с экспериментальными данными. Новизна технических и технологических разработок подтверждена 53 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и полезные модели. При обработке материалов использовались современные методы с использованием ЭВМ. Приемочные испытания разработанного специального алмазного породоразрушающего инструмента проводились в передовых производственных организациях под контролем государственных комиссий.
Высокая технико-экономическая эффективность от реализации комплексов специального алмазного породоразрушающего инструмента подтверждена практикой их применения на крупнейших месторождениях руд и угля России и стран СНГ.
Личный вклад автора в разработку проблемы
Все основные положения, результаты и выводы получены автором лично. Ему принадлежит постановка проблемы и задач исследований, разработка методик исследований, анализ и обобщение результатов работ. Он принимал личное участие во внедрении прогрессивной технологии бурения с применением специального алмазного породоразрушающего инструмента. Он автор и соавтор 112 опубликованных работ, в том числе 54 изобретений и полезных моделей. При решении отдельных задач принимали участие коллеги автора и многие специалисты производственных организаций. По этим работам имеются совместные публикации и ссылки на них в диссертации.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований представлялись в виде сообщений и докладов на Всесоюзных и Всероссийских отраслевых совещаниях, семинарах и конференциях, проводимых по планам Мингео СССР, Мингео РСФСР, МПР РФ (1970-2000 гг.). Результаты НИОКР по тематике исследований рассматривались на научных конференциях и семинарах в ТФ ЦНИГРИ, ЦНИГРИ, Тульском НИГП, Ленинградском горном институте, ИСМ АН УССР, ВНИИСИМСе, ИФВД АН РФ, а также обсуждались на научно-технических совещаниях ряда геологоразведочных организаций. Отдельные положения работы докладывались на IV Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1998 г.), на IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 1999 г.), конференции профессорско-преподавательского состава (Москва, апрель 2000 г.), научной конференции ФТРиР, посвященной 50-летию со дня образования кафедр горного дела и разведочного бурения МГГРУ (Москва, октябрь 2001 г.), 5-ой международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент» (г. Киев, сентябрь 2002 г.). Комплексы специального алмазного породоразрушающего инструмента демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены 4-х серебряных и 15-ти бронзовых медалей.
Публикации
Результаты исследований по теме освещены в 108 опубликованных работах, в том числе в 53 авторских свидетельствах и патентах на изобретения и полезные модели.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Будюков, Юрий Евдокимович
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Установлены закономерности формирования напряжений и деформаций в горной породе и породоразрушающем инструменте. Определено, что после приложения нагрузки наибольших значений напряжения достигают на контакте матрицы с корпусом коронки. Здесь величины интенсивности касательных напряжений достигают значений в 2,1-K3,3 раза больших, чем в областях, примыкающих к боковым стенкам и торцу матрицы коронки. С ростом удельной нагрузки напряжения в матрице растут быстрее, чем в алмазных зернах. Значение высоты деформации рабочей поверхности породоразрушающего сектора относительно алмаза находятся в интервале 2-Ю"6 - 24Т0"6 Касательные напряжения максимальны между алмазами. Регулируя расстояние между алмазными резцами, можно повысить эффективность разрушения породы.
2. Характер статического вдавливания алмазного индентора в твердые породы отличается от аналогичного процесса при вдавливании твердосплавного: нагрузки, требуемые для достижения предельного состояния горной породы, пропорциональны квадратам радиусов кривизны вдавливаемых поверхностей зерен только при диаметре площади контакта более 1-1,5 мм, при меньшем диаметре контакта появляется дополнительная зависимость нагрузки от возрастающего сопротивления породы внедрению.
3. Установлено, что по мере перемещения второй свободной поверхности к периферии забоя твердость породы по штампу возрастает по линейной зависимости. Для проявления влияния этой поверхности на эффективность разрушения твердых пород необходимо, чтобы ширина ступени составляла от 0,8 до 1,1 диаметра используемых алмазных зерен.
4. При работе единичного алмазного резца между двумя взаимно перпендикулярными компонентами силы взаимодействия с породой сохраняется постоянное соотношение, различное для разных пород, при котором сила нормального приложения в 2-4 раза превышает величину тангенциального усилия. При увеличении частоты вращения сила нормального приложения и величина тангенциального усилия возрастают незначительно (на 5-10 %).
5. При одновременном внедрении нескольких инденторов общее усилие, необходимое для осуществления процесса разрушения породы, в 1,2-1,6 раза меньше, чем суммарное усилие внедрения этих инденторов каждого в отдельности, причем максимум отделяемого объема разрушения наблюдается при размещении одновременно внедряемых инденторов в вершинах квадрата.
6. Установлено, что переход от полностью упругого разрушения к упру-гопластическому при внедрении сферического индентора происходит тогда, когда радиус кривизны индентора уменьшается обратно пропорционально кубу предела текучести породы до некоторой критической величины. Определенные для твердых пород значения критического радиуса (0,10-0,34 мм) удовлетворительно корелируются с размерами алмазов (200+800 шт/карат), используемых при производстве импрегнированных коронок.
7. Наложение на цилиндрические инденторы ультразвуковых колебаний при вдавливании приводит к значительному снижению твердости по сравнению со статическим вдавливанием: мрамора в 1,5 раза; гранита в 1.9 раза, кварцита в 2,2 раза. Причем при небольших глубинах внедрения инденторов (0,05+0,25 мм) воздействие ультразвуковых колебаний вызывает снижение твердости горных пород в несколько раз: мрамора в 2,1 раза; гранита - в 2,8 раза, кварцита в 3,4 раза.
8. Разработана математическая модель процесса разрушения забоя алмазным зерном по схеме вдавливания сферы для разрушения упругих пород по схеме вдавливания со смещением при разрушении упругопластичных, позволившая раскрыть механизм развития трещин и формирования нагрузки на алмазное зерно с учетом режима разрушения, прочности породы и геометрии резца. Установлено, что приложение сдвигающего усилия значительно снижает необходимую для разрушения вертикальную нагрузку, а также существенно снижается удельная объемная работа разрушения.
9. Впервые исследована целесообразность применения в алмазных коронках для бурения с продувкой тепловых труб и определено, что величина оптимального заполнения теплового канала теплоносителем составляет 25 % от его объема, а оптимальный гидравлический диаметр капилляра пропорционален квадрату диаметра парового канала.
10. Предложены и практически реализованы методы расчета и определения конструктивных и технологических параметров специального алмазного инструмента различных типоразмеров: коронок и расширителей для КССК-76, КССК-59, коронок для эжекторных снарядов, коронок для бурения с продувкой воздухом и пенами, долот для бескернового, направленного и многозабойного бурения, коронок для бурения с гидротранспортом.
11. Разработаны и реализованы технико-технологические решения и приемы, являющиеся основой совершенствования процесса алмазного бурения специальным породоразрушающим инструментом в сложных геологических условиях, что позволяет существенно повысить качество бурения за счет увеличения выхода керна и соблюдения проектных трасс скважин и уменьшить его стоимость за счет увеличения производительности труда и уменьшения удельного расхода бурового инструмента и материалов.
12. Применение разработанных специальных технических средств и технологии алмазного бурения на большинстве крупных месторождений руд и угля России и стран СНГ позволяет существенно укрепить их минерально-сырьевую базу.
13. Прямой годовой экономический эффект от внедрения методики проектирования, изготовления и применения специального алмазного породоразрушающего инструмента составил свыше 1490 тыс. руб.
14. Для совершенствования специального алмазного породоразрушающего инструмента с целью расширения областей применения и повышения его конкурентоспособности необходимо:
- дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных методов исследований механизма разрушения горных пород алмазным инструментом:
- разработка компьютерных технологий проектирования и изготовления специального алмазного породоразрушающего инструмента;
- создание виброактивных, съемных алмазных коронок, вставных и съемных алмазных долот для КССК, алмазных коронок для бурения КГК в твердых
259 породах и породах средней твердости, алмазных коронок с тепловыми трубами для бурения с применением сжатого воздуха и пен и стабилизирующего алмазного породоразрушающего инструмента, целесообразность чего уже доказана лабораторными и опытно-экспериментальными работами в производственных условиях.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Будюков, Юрий Евдокимович, Москва
1. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций. Учебное пособие / М.: Изд. АСВ, 2000 152 с.:ил.
2. Белов A.M. Результаты испытаний съемных алмазных коронок для КССК-76./А.М. Белов, Ю.Е. Будюков. Научно-тех. сб. «Геоинформ-марк», вып. 12. М.: 1993. - с.62-66.
3. Белов A.M. Колонковый снаряд. /A.M. Белов, Ю.Е. Будюков. А.с. № 1751290. БИ №21, 1992.
4. Белов A.M. Способ изготовления алмазного инструмента. /А.М. Белов, Ю.Е. Будюков. А.с. №1771972. БИ №40, 1992.
5. Белов A.M. Способ изготовления буровой коронки. /А.М. Белов, Ю.Е. Будюков. А.с. №1708518. БИ №4, 1992.
6. Белов A.M. Устройство для создания высокого давления. /A.M. Белов, Ю.Е. Будюков. Свидетельство на полезную модель №1026. БИ №11, 1995.
7. Белов A.M. Абразивный режущий инструмент./А.М. Белов, В.А. Никита-ев, Ю.Е. Будюков. Патент РФ №2083252. БИ №19, 1997.
8. Белов A.M. Способ изготовления инструмента./ A.M. Белов, В.А. Никита-ев, Ю.Е. Будюков. Патент РФ №2071913. БИ№2, 1997.
9. Блинов Г.А. Породоразрушающий инструмент для алмазного бурения./ Г.А. Блинов, А.Л. Николас, Ю.А. Оношко, П.П. Пономарев и др. -Л.: Недра, 1969. - 128 с.:ил.
10. Блинов Г.А. Алмазосберегающая технология бурения./ Г.А. Блинов, В.И. Васильев, М.Г. Глазов и др. Л.: Недра, 1989. - 184 с.:ил.
11. Богданов Р.К. Исследование и разработка породоразрушающего инструмента из сверхтвердых материалов./ Р.К. Богданов, А.П. Закора, А.А. Бугаев, В.И. Опольский. Обзор, АО «Геоинформмарк». М.: 1993. - 44 с.:ил.
12. Блох Л.С. Практическая номография. М., «Высшая школа», 1971 328 с:ил.
13. Будюков Ю.Е. Пути повышения износоустойчивости мелкоалмазных коронок. /Ю.Е. Будюков, В.М. Солтыш, Б.У. Фашмухов, Б.С. Чугунов. Информационное сообщение. ОНТИ ВИЭМС, вып.№49/2. М.: 1965. - 20 с.
14. Будюков Ю.Е. Рациональный принцип размещения алмазов в коронках для бурения геологоразведочных скважин./Ю.Е. Будюков, Б.С. Чугунов. Сб. «Алмазы», вып.4. НИИМАШ. М.: 1968. - с.7-9.
15. Будюков Ю.Е. Эффективность бурения алмазными долотами малого диа-метра./Ю.Е. Будюков, А.В. Касаточкин, М.Е. Гренадер, В.П. Романов и др. Сб. «Алмазы», вып.1, НИИМАШ. М.: 1970. - с.15-20.
16. Будюков Ю.Е. Некоторые особенности технологии изготовления специальных алмазных коронок. /Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, М.Е. Гренадер, Е.С. Котельников и др. Труды ЦНИГРИ, вып.106. М.: 1973. - с.143-146.
17. Будюков Ю.Е. Разработка новых алмазных коронок для бурения осадочных пород. /Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, JI.B. Веденеев и др. Сб. «Алмазы», вып.4, НИИМАШ. М.: 1974. - с.15-18.
18. Будюков Ю.Е. Создание и производство специального алмазного бурового инструмента. Обзор. М.: МГП «Геоинформмарк», 1993. - 40 с.
19. Будюков Ю.Е., Белов A.M. Зарубежные и отечественные конструкции съемных коронок для бурения геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых. /Ю.Е. Будюков, A.M. Белов. Обзор. -М.: ВИЭМС, 1989.-27 с.
20. Будюков Ю.Е Исследование влияния формы рабочего торца на работоспособность алмазных коронок для ССК. /Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.В. Веденеев, JI.JL Волков. Труды ЦНИГРИ, вып.117. -М.: 1974. с.55-58.
21. Будюков Ю.Е. Аналитическое определение рациональной осевой нагрузки на резцовую коронку./Ю.Е. Будюков, И.Е. Слюсарь. Зам. ЛГИ, т.71, вып.2, 1976. с.51-54.
22. Будюков Ю.Е. Результаты исследования работы зубчатых алмазных коронок для бурения снарядом со съемным керноприемником. /Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, В.В. Матохин, JI.JL Волков. Труды ЦНИГРИ, вып.147. М.: 1974. - с.75-80.
23. Будюков Ю.Е. Алмазные коронки для бурения в мягких породах снарядом со съемным керноприемником. / Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, А.С. Константинов. Сб. «Алмазы», вып.7, НИИМАШ. М., 1976. - с.9-11.
24. Щ 33. Будюков Ю.Е. Совершенствование технологии алмазного бурения на месторождениях Северного Таджикистана с применением технических средств конструкции ЦНИГРИ./Ю.Е. Будюков, В.П. Романов, JLJL Волков, В.Н. Глаголев. ВИЭМС, вып.9.-М.: 1984. с.1-9.
25. Будюков Ю.Е. Результаты внедрения эжекторных снарядов в Амурской ГРЭ.ЛО.Е. Будюков, В.Н. Глаголев, М.Е. Гренадер, М.М. Плеханов. Труды ЦНИГРИ, т. 164. М.: 1981. - с.26-30.
26. Будюков Ю.Е. Эффективность бурения резцовыми алмазными коронками./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.Л. Волков. Сб. «Алмазы», вып.6, НИИМАШ. М.: 1980. - с.6-7.
27. Будюков Ю.Е. Алмазные коронки для бурения с гидротранспортом кер-на./Ю.Е. Будюков, М.И. Плеханов, М.Е. Гренадер, Л.Л. Волков. «Разведка и охрана недр», №10. М.: 1982. - с.62-64.
28. Будюков Ю.Е. Совершенствование технологии алмазного бурения КССК-76./Ю.Е. Будюков, И.Е. Воропаев, Л.Л. Волков, В.А. Старков. «Разведка ит охрана недр», №6. М.: 1984. - с.31-34.
29. Будюков Ю.Е. Алмазный породоразрушающий инструмент, созданный в ЦНИГРИ. /Ю.Е. Будюков, И.А. Баскилович, Л.Л. Волков, М.Е. Гренадер. «Разведка и охрана недр», №9. М.: 1988. - с.29-34.
30. Будюков Ю.Е. Применение новых импрегнированных алмазных коронок для бурения с продувкой./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев. Сб. «Алмазы и сверхтвердые материалы», вып.2. -М.:1977. сЛ 1-13.
31. Будюков Ю.Е. Новые алмазые коронки. ИЛ, № 37-80ЦНТИ. Тула.: 1980.-3 с.
32. Будюков Ю.Е. Новый алмазный расширитель для калибровки скважин./ Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков. ИЛ, №21-81, ЦНТИ. Тула.: 1981.-3 с.
33. Будюков Ю.Е. Модернизированная алмазная коронка 17А4М./Ю.Е. Будюков, Т.И. Русикова, И.Е. Воропаев. ИЛ, №42-88, ЦНТИ. Тула.: 1983. -4с.
34. Будюков Ю.Е. Алмазный инструмент для бурения снарядами со съемными керноприемниками.ЯО.Е. Будюков, Т.И. Русикова, Г.И. Коваль. ИЛ, №97-58, ЦНТИ. Тула.: 1990. - 4 с.
35. Будюков Ю.Е. Алмазные коронки для бурения с продувкой сжатым воздухом и водо-воздушными смесями./Ю.Е. Будюков, Т.И. Русикова, Л.Л. Волков. ИЛ, №583-90, ЦНТИ. Тула.: 1990. - 4 с.
36. Будюков Ю.Е. Комплекс алмазного породоразрушающего инструмента для бурения снарядами КССК-76./Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков. ИЛ, №56490, ЦНТИ. Тула.: 1990.-4 с.
37. Будюков Ю.Е. Новый комплекс алмазного инструмента для бурения КССК-76.ЛО.Е. Будюков, Т.И. Русикова, Г.И. Коваль. Научно-техн. инф. сб. АО «Геоинформмарк», вып. 1-2. М.: с.63-65.
38. Будюков Ю.Е. Исследование работоспособности буровых коронок, армированных алмазными поликристаллами./Ю.Е. Будюков, Е.С. Котельников, И.Л. Антонович. Научно-техн. инф. сб. АО «Геоинформмарк», вып.5. -М.: 1998. с.37-41.
39. Будюков Ю.Е. Научные основы создания специального алмазного инструмента и их применение в конструкции и технологии бурения геологоразведочных скважин. Тезисы конференции «Новые идеи в науке о Земле». М.: МГГА, 1999.-С.31.
40. Будюков Ю.Е. К вопросу разработки математической модели износа алмазной коронки. Труды ЦНИГРИ, вып. 180. М.: 1983. - с.60-65.
41. Будюков Ю.Е. Исследование и разработка специальных алмазных коронок для бурения геологоразведочных скважин. Автореф. дис. . канд. техн. наук, Ленинградский горный институт им. Г.В. Плеханова -Л.: 1973.-26 с.:ил.
42. Будюков Ю.Е. Разработка коронок, армированных синтетическими алмазами для бурения с гидротранспортом керна. /Ю.Е. Будюков, М.И. Плеханов, М.Е. Гренадер, А.Н. Тулянкина сб. трудов ВПО «Союзгеотехни-ка», М., 1983, с.35-39.
43. Будюков Ю.Е. Разработка рекомендаций по проектированию, изготовлению и применению специального алмазного инструмента для бурения геологоразведочных скважин. Депонировано ВИЭМС. № 1160 МГ02.-М.: 2002.-c.250.
44. Будюков Ю.Е. Расчет напряженно-деформированного состояния системы алмазная коронка-забой в пределах и за пределами упругости методом конечных элементов. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, Е.М. Селедкин Депонировано в ВИЭМС № 1169 МГ02 - М., 2002 - 14 с.
45. Будюков Ю.Е. Расчет напряженно-деформированного состояния системы алмазная коронка-забой в пределах и за пределами упругости методом конечных элементов. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, Е.М. Селедкин. Депонировано в ВИЭМС № 1190 МГ02 - М., 2003, - 12 с.
46. Будюков Ю.Е. Специальный алмазный породоразрушающий инструмент, технология его изготовления и применения. Тезисы докл. 5-ой международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент» ИСМ, Киев, 2002.-С.50-51.
47. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.К. Горшков, Б.Б. Кудряшов, и др. А.с. №4244959. БИ №15,-М.: 1974.
48. Будюков Ю.Е. Виброгасящее устройство./Ю.Е. Будюков, В.П. Романов. А.с. №572567. БИ №34.-М.: 1977 г.
49. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев. А.с. №597807. БИ№ 10.-М.: 1978.
50. Будюков Ю.Е. Алмазная коронкаЛО.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.Л. Волков. А.с. №596709. БИ №9.-М.: 1978.
51. Будюков Ю.Е. Буровая коронкаЛО.Е. Будюков, В.М. В.И. Власюк. Свидетельство на полезную модель № 20122, БИ № 29 .М.:2001.
52. Будюков Ю.Е. Алмазный расширитель ./Ю.Е. Будюков, В.Ш. Хажуев, В.К. Хаширов, Н.Д. Руднев и др. А.с. №784399. ДСП (не публ.).-М.: 1979.
53. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка. А.с. №1136514.ДСП.-М.:1982.
54. Будюков Ю.Е. Способ изготовления алмазного породоразрушающего ин-струмента.ЛО.Е. Будюков, Н.М. Панин. А.с. №1011339. БИ №14.-М.: 1983.
55. Будюков Ю.Е. Алмазный расширитель./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.Л. Волков, В.Ш. Хажуев и др. А.с. № 901547.БИ № 4. М.:1982
56. Будюков Ю.Е. Алмазная импрегнированная коронка./Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.Л. Волков. А.с. №1040850.
57. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка.ЛО.Е. Будюков, Л.Л. Волков. А.с. №1069476. БИ № 12.-М.: 1982.
58. Будюков Ю.Е. Съемная буровая коронка/ Ю.Е. Будюков, В.К. Михеев. А.с. №1109965. ДСП.-М.: 1984.
59. Будюков Ю.Е. Способ изготовления из порошка изделий сложной фор-мы./Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков, В.А. Старков, М.Е. Гренадер. А.с. №1158293. БИ№20.-М.: 1985 г.
60. Будюков Ю.Е. Алмазная зубчато-ступенчатая коронка./Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков, В.К. Михеев, Н.И. Фоменкою А.с. №1222811. БИ №13. -М.: 1986.
61. Будюков Ю.Е. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента./ Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков, В.К. Михеев. А.с. №1317771 .ДСП.-М.: 1984.
62. Будюков Ю.Е. Алмазная коронка для бурения с продувкой воздухом./ Ю.Е. Будюков, Н.Н. Суманеев, Л.Л. Волков, А.Н. Селиванов. А.с. № 1641974. БИ № 14.-М.:1991.
63. Будюков Ю.Е. Алмазная ступенчатая коронка./Ю.Е. Будюков, В.И. Вла-сюк, В.И. Спирин, И.А. Ососов. Свидетельство на полезную модель №10767. БИ №8. -М.: 1999.
64. Будюков Ю.Е. Алмазный расширитель./Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, И.А. Ососов, и др. Патент РФ на избретение № 2152504 БИ № 19.-М.: 2000.
65. Будюков Ю.Е. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента. Патент РФ на изобретение № 2156186. БИ № 26.-М.:2000.
66. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка для бурения с продувкой воздухом. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И.Спирин, И.А. Ососов. Патент РФ на изобретение № 2167260 БИ № 14. -М.:2001.
67. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая коронка. /Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков. Патент РФ на изобретение № 2169249 БИ № 17. -М.:2001.
68. Будюков Ю.Е. Алмазная буровая корнка. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, И.А. Ососов и др. Свидетельство на полезную модель №20121 БИ№ 29.-М. :2001.
69. Будюков Ю.Е. Способ изготовления алмазного инструмента. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, И.А. Ососов. Патент РФ на изобретение № 2175590 БИ № 31. -М.:2001.
70. Будюков Ю.Е. Алмазные отрезной круг. /Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, А.Ю. Чернов, И.А. Ососов. Свидетельство на полезную модель № 29254. Б.И., № 13 М.: 2003.
71. Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении. -М.: Недра, 1974. 182 с.:ил.
72. Бурачек Н.А. Насыщенность алмазного породоразрушающего инструмента, методы ее расчета и контроля. / Н.А. Бурачек, Ю.Е. Будюков. Тр. ЦНИГРИ, вып. 106. М.: 2973, с. 152-156.
73. Власюк В.И. Создание алмазного инструмента с повышенными эксплуатационными параметрами./В.И. Власюк, В.И. Спирин, И.А. Ососов, Ю.Е.
74. Будюков . Тезисы докладов IV Международного симпозиума по бурению скважин. С.Петербург.: Горный институт, 1998. - с.96.
75. Власюк В.И. Алмазное бурение при разведке благородных и цветных металлов из подземных горных выработок. Методические рекомендации. -М.: АОЗТ «Геоинформмарк», 1996. 91 с.:ил.
76. Власюк В.И. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента. /В.И. Власюк, Ю.Е. Будюков, Л.К. Горшков, А.И. Осецкий и др. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002-140 с.:ил.
77. Воздвиженский Б.И. Разведочное колонковое бурение./ Б.И. Воздвиженский, С.А. Волков, Б.С. Филатов, Н.И. Любимов и др. М. :Госгеологотехиздат, 1957.-340с. :ил.
78. Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения. /Б.И. Воздвиженский, И.П. Мель-ничук, Ю.А. Пешалов. М.:Недра, 1973.-240 с.:ил.
79. Вовчановский И.Ф. Породоразрушающий инструмент на основе славути-ча для бурения глубоких скважин. Киев, Наукова Думка, 1979. - 210 с.:ил.
80. Волков Л.Л. Полуавтоматический режим прессования графитовых пресс-форм. /Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков. Научно-техн. реф. сб. Алмазы и сверхтвердые материалы., вып. 6 М., НИИМАШ, 1977, - с. 5.
81. Волков Л.Л. К вопросу совершенствования технологии изготовления алмазного породоразрушающего инструмента в графитовых прессформах. /Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков. Тр. ЦНИГРИ, вып.164. -М.: 1981. -с.41-45.
82. Волков Л.Л. Результаты испытаний породоразрушающего инструмента, армированного соснтетическими алмазами при бурении комплексами КССК-76. \ Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков, В.М. Князев ЭИ ВИЭМС, М., вып. 5, 1988, - с. 7-9.
83. Волков Л.Л. Породоразрушающий инструмент с синтетическими алмазами./ Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков. ИЛ, №579-80, ЦНТИ. Тула, 1990. - 4 с.
84. Волков Л.Л. Способ изготовления шихты для прессования графитовых форм /Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков, М.Е. Гренадер, В.А. Старков. А.с. №1291277. БИ №7, 1987.
85. Волков Л.Л. Шихта графитовых прессформ. /Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков, В.К.Михеев. А.с. №1350164.БИ№41, 1987.
86. Волков Л.Л. Пуансон для изготовления породоразрушающего инструмента. /Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков, Т.И. Русикова. А.с. №1637932. БИ№12, 1991.
87. Волков Л.Л. Способ изготовления алмазного инструмента и устройство для его осуществления. / Л.Л. Волков, Ю.Е. Будюков, В.А. Старков. А.с. №1444138. БИ №46, 1988.
88. Воропаев И.Е. Колонковый снаряд /И.Е. Воропаев, А.Н. Селиванов, Ю.Е. Будюков, И.П. Мельничук. А.с. № 1116142. БИ № 36, 1984.
89. Гельмгольц Г. Основы вихревой теории. М.: Институт компьютерных исследований. 2002.-82 с.:ил.
90. Гершгал Д.А. Ультразвуковая технологическая аппаратура./ Д.А. Герш-гал, В.М. Фридман. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1976.-318 с.:ил.
91. Гореликов В.Г. Научные основы предупреждения аномального износа алмазных коронок: Автореф. дис. . докт. техн. наук/Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова, Санкт-Петербург, 1996-34 с.:ил.
92. Горшков Л.К. Опыт бурения специальными алмазными коронками МЦП с продувкой воздухом /Л.К. Горшков, Ю.Е. Будюков. Научно-тех. реф. сб. Алмазы, вып. 4, М., НИИМАШ, 1975, с. 10-19.
93. Горшков Л.К. Исследование работоспособности опытных однослойных коронок при бурении с продувкой воздухом./Л.К. Горшков, Ю.Е. Будюков. Записки ЛГИ, т.71, вып.2, Л.: 1974. с.74-79.
94. Горшков Л.К. Рациональные насыщенность и крупность объемных алмазов импрегнированных коронок для бурения с продувкой./Л.К. Горшков,
95. Ю.Е. Будюков, A.M. Яковлев. Изв. вузов, Горный журнал, №9, М.: 1971.-с.15-18.
96. Горшков JI.K. Температурные режимы алмазного бурения ./JI.К. Горшков, В.Г. Гореликов М.: Недра, 1992. - 193 с.:ил.
97. Горшков JI.K. Особенности технологии бурения с продувкой однослойными коронками с разливными насыщенностью и зернистостью алмазов./ JI.K. Горшков, Ю.Е. Будюков. «Алмазы», Научно-техн. реф. НИИМАШ, вып.11.-М.: 1971. -с.24-29.
98. Горшков JI.K. Температурные напряжения как один из факторов разрушения керна при бурении с продувкой./Л.К. Горшков, Ю.Е. Будюков, А.В. Касаточкин. «Физико-техн. пробл. разраб. полезн. ископ.», №6. М,:1971. с.55-59.
99. Горшков Л.К. Особенности бурения с продувкой воздухом скважин малых диаметров по моренным отложениями Тырныаузского месторождения./ Л.К. Горшков, И.Е. Слюсарь, Ю.Е. Будюков. Записки ЛГИ, т.66, вып.1. Л.: 1973. - с.89-92.
100. Гренадер М.Е. Новое в технологии изготовления графитовых форм для алмазного бурового инструмента./М.Е. Гренадер, А.В. Касаточкин, Ю.Е. Будюков. Науч. реф. сб. «Алмазы», вып.6. М.: НИИМАШ, 1970. -с.10-12.
101. Гренадер М.Е. Буровая коронка. /М.Е. Гренадер, A.M. Белов, Ю.Е. Будюков. А.с. №1668618. БИ№29, 1991.
102. Григорян Н.А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров. -М.: Недра, 1974.-240 с.:ил.
103. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.:Мир, 1989.-510 с.:ил.
104. Демидов С.П. Теория упругости. М. Высшая школа, 1979. - 432 с.:ил.
105. Дрозд М.С. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. /М.С. Дрозд, М.М. Матлин, Ю.И. Сидякин. М.: Машиностроение, 1986.-224 с.:ил.
106. Емелин М.А. Новые методы разрушения горных пород. Учебное пособие для вузов / М.А. Емелин, В.Н. Морозов, Н.П. Новиков, Ю.И. Протасов и др. -М.'Недра, 1990.-240 с.:ил.
107. Ершов А.В. Механика горных пород. /А.В. Ершов, Л.К. Либерман, И.Б. Нейман. М.: Недра, 1987.-192 с.:ил.
108. Егоров Н.Г. Повышение эффективности технологии бурения и опробования разведочных скважин в сложных геологических условиях. Обзор, ОАО «Геоинформмарк», 1994. 117 с.:ил.
109. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 539 с.:ил.
110. Исаев М.И. К расчету оптимального режима разрушения породы при алмазном бурении./М.И. Исаев, П.В. Пономарев. Методика и техника разведки. Сб. научных трудов № 92, ОНТИ ВИТР, Л.: 1974.-С.26-39.
111. Казика В.Ф. Основы расчета параметров импрегнированного слоя буровых коронок с гранулированными алмазами: Автореф. дис. . канд. техн. наук /Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова. Санкт.-Петербург, 2001.-25 с.
112. Калинин А.Г. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ. /А.Г. Калинин, А.В. Левицкий, В.А. Никитин. -М.:Недра, 1998.-440 с.:ил.
113. Калинин А.Г. Разведочное бурение. /А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев. М.ЮОО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 748 с.:ил.
114. Камминг Дж.Д. Руководство по алмазному бурению. М.: Госгеолтехиз-дат, 1960. - 327 с.:ил.
115. Кардыш В.Г. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин./В.Г. Кардыш, Б.В. Мурзаков, А.С. Окмянский. М.: Недра, 1984.-200 с.:ил.
116. Карпиков А.В. Научно-методические основы управления интенсивностью естественного искривления скважин: Автореф. дис. . канд. техн. наук /Иркутский государственный технический университет JI.,2002. -20 с.
117. Копылов В.Е. Бурение скважин вне Земли. М.: Недра, 1977. - 160 с.:ил.
118. Киселев А. Т. Вращательно-ударное бурение геологоразведочных скважин./ А.Т. Киселев, И.Н. Крусир и др. М.: Недра, 1982.-103с. :ил.
119. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам./ П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко, А.А. Каспарсон и др. Энергия.-М.:1972.-312 с.:ил.
120. Клюшников В.Д. Физико-математические основы прочности и пластичности. М.:Изд-во МГУ, 1994. 189 с.:ил.
121. Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М.: Недра, 1977.-150 с.:ил.
122. Козловский Е.А. Кибернетика в бурении./Е.А. Козловский, В.М. Питерский, М.А. Комаров. М.: Недра, 1982. - 298 с.:ил.
123. Корнилов Н.И. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин./Н.И. Корнилов, B.C. Травкин, Л.К. Берестень, Д.И. Коган и др. Справочник. — М.: Недра, 1979. 359 с.:ил.
124. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инжене-ров./Г. Корн, Т. Корн.-М. :Наука, 1980,-720 с.:ил.
125. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1972.-383 с.:ил.
126. Курочкин П.Н. Исследования влияния конструктивных элементов алмазного бурового инструмента на его стойкость и механическую скорость бурения: Автореф. дис. . канд. техн. наук/Ленинградский горный институт им. Г.В. Плеханова-Л.: 1965.-20 с. Л., 1965.
127. Маковей Н. Гидравлика бурения. Пер. с рум. М.: Недра, 186. - 536 с.:ил.
128. Маленькая энциклопедия. Ультразвук. Гл. редактор Голямина И.П. Изд-во «Советская энциклопедия» -М.:1979.-450с.:ил.
129. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. -М.: Машиностроение, 1980.-237 с. :ил.
130. Морозов Е.М. Энергетические условия роста трещин в упругопластиче-ских телах. ДАН СССР, 1969. Т. 187 № 2. С. 57-60.
131. Никитаев В.А. Виброгаситель наддолотный. /В.А. Никитаев, Ю.Е. Будюков, A.M. Белов, И.А. Баскилович. А.с. №1687759. БИ №40, 1991.
132. Никитаев В.А. Способ изготовления буровой коронки. /В.А. Никитаев, A.M. Белов, Ю.Е. Будюков. А.с. №1738680. БИ №21, 1992.
133. Никитаев В.А. Способ изготовления алмазного инструмента./А.В. Никитаев, A.M. Белов, Ю.Е. Будюков. Патент РФ №2049655. БИ №34, 1996.
134. Онищин В.П. О характере износа импрегнированных коронок при бурении диабазов. ОНТИ ВИТР. Сб. «Методика и техника разведки», №54.-Л.: 1965. -с.30-33.
135. Осецкий А.И. Разработка методов и средств регенерации алмазов и компонентов матриц алмазных коронок с целью их повторного использования: Автореф. дис. докт. техн. наук /Московская государственная геологоразведочная академия -М., 2000-42 с.
136. Остроушко И.А. Бурение твердых горных пород. М.: Недра, 1966. - 289 с.:ил.
137. Панин Н.М. Породоразрушающий инструмент. / Н.М. Панин, Ю.Е. Будюков, ЛН. Думкин, Е.И. Суслов и др. А.с. №1495427. БИ №27, 1989.
138. Пилипенко В.В. Кавитационное автоколебание. Наукова Думка. Киев.: 1989-201 с.:ил.
139. Питерский В.М. Алмазный породоразрушающий инструмент. /В.М. Питерский, Н.М. Панин, Ю.Е. Будюков, В.Л. Гой и др. А.с. №1518479. БИ №40, 1989.
140. Питерский В.М. Алмазная буровая коронка. /В.М. Питерский, Е.И. Суслов, Ю.Е. Будюков, Н.М. Панин и др. А.с. №1640340. БИ №13, 1991.
141. Питерский В.М. Алмазный породоразрушающий инструмент. /В.М. Питерский, Н.М. Панин, Е.И. Суслов, Ю.Е. Будюков и др. А.с. №1647118. БИ №17, 1991.
142. Плеханов М.И. Конструктивные особенности алмазных коронок для бурения с гидротранспортом керна./М.И. Плеханов, Ю.Е. Будюков. Сб.трудов ВПО «Союзгеотехника».-М.: 1983. -с.47-55.
143. Плеханов М.И. Алмазные коронки для бурения с гидротранспортом керна в перемежающихся породах./М.И. Плеханов, Ю.Е. Будюков, Г.В. Гуляев. ИЛ, №582-90, ЦНТИ. Тула.: 1990. - 4 с.
144. Плеханов М.И. Алмазная коронка для бурения с гидротранспортом керна. / М.И. Плеханов, Ю.Е. Будюков, М.Е. Гренадер, И.В. Кузьмин и др. А.с. №1452980. БИ №3, 1989.
145. Плеханов М.И. Коронка для бурения с гидротранспортом керна. /М.И. ' Плеханов, Ю.Е. Будюков, М.Е. Гренадер, Л.Л. Волков и др. А.с. №1139179. БИ № 3, 1984.
146. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. Л.: «Машиностроение», 1976.-504 с.:ил.
147. Пономарев П.П. Алмазное бурение трещиноватых пород. Л.: Недра, 1985.- 144 с.
148. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник. В 2-х кн. Кн. 1/под ред. Клюева В.В. -М.: «Машиностроение», 1978.-448 с.:ил.
149. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. -М.гНедра, 1985.-242 с.:ил.
150. Ребрик Б.М. Практическая механика в разведочном бурении. М.:Недра, 1982-319 с.:ил.
151. Ржевский В.В. Основы физики горных пород. В.В. Ржевский, Г.Я. Новик. -М,:Недра, 1984.-359 с.:ил.
152. Рогач М.С. Породоразрушающий инструмент. /М.С. Рогач, Н.М. Панин, Ю.Е. Будюков, Л.А. Резник и др. А.с. №1314005. БИ№20, 1987.
153. Рожков В.П. Разработка теоретических основ и совершенствование бурения геологоразведочных скважин алмазным породоразрушающим инструментом: Автореф. дис. докт. техн. наук/Томский политехнический университет- Томск, 1999.- 32 с.
154. Романов В.П. Коронка для бурения с гидротранспортом керна./В.П. Романов, Ю.Е. Будюков, М.И. Плеханов, М.Е. гренадер и др., а.с. № 825833, БИ№ 16, 1981.
155. Рябчиков С.Я. Повышение износостойкости породоразрушающего инструмента различными физическими способами. Обзор МГП «Геоинформмарк», М.: 1993.-36 с.:ил.
156. Радивоев Б. Состояние и перспективы развития техники и технологии алмазного бурения в НРБ. Материалы научно-технической конференции по технике и технологии алмазного бурения. Совет экономической взаимопомощи. София.: 1986. с.7-14.
157. Синтетические сверхтвердые материалы: 63-х т., т.З. Применение синтетических сверхтвердых материалов / отв. Ред. Н.В. Новиков. Киев,: Нау-кова думка, 1986 280 с.:ил.
158. Слободский В.Я. Алмазная коронка. /В.Я. Слободский, Ю.Е. Будюков, В.В. Соболев, А.Н. Давиденкои др. А.с. №1344889. БИ№38, 1987.
159. Соловьев Н.В. Основы конструирования алмазного породоразрушающего инструментаЖВ. Соловьев Н.В., В.Ф. Чихоткин, В.И. Власюк, Р.А. Ганджумян и др. М.: МГГА, 2000. - 111 с.:ил.
160. Спивак А.И. Разрушение горных пород при бурении скважин. /А.И. Спи-вак, А.Н. Попов. 3-е изд. перераб. и доп. -М.:Недра, 1979. 239 с.:ил.
161. Спирин В.И. Новые направления создания алмазного породоразрушающего инструмента./В.И. Спирин, Д.М. Левин. Тул. гос. ун-т. Тула.: 2000. - 149 с.:ил.
162. Спирин В.И. Способ электромеханической рекуперации алмазов. /В.И. Спирин, В.И. Власюк, Ю.Е. Будюков, В.М. Постыляков. Патент РФ на изобретение № 2172294. БИ № 23, 2001.
163. Спирин В.И. Электролит для электрохимической рекуперации алмазов. В.И. Спирин, В.И. Власюк, Ю.Е. Будюков. Патент РФ на изобретение № 2165885 БИ № 19, 2001.
164. Спирин В.И. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента. / В.И. Спирин, В.И. Власюк, Д.М. Левин, Ю.Е. Будюков и др. Решение на выдачу патента по заявке № 20011082209/02 (008442), -М.-2002.
165. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. СПБ.-Л.:СЮО «Недра»,2000-712 с.:ил.
166. Ставрогин А.Н. Пластичность горных пород. /А.Н. Ставрогн, А.Г. Проте-сеня. М.: Недра. 1979.-301 с.:ил.
167. Старков В.А. Пропиточный сплав. / В.А. Старков, Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков,А.Н. Тулянкина. А.с. №1510255. ДСП. -М.:1986.
168. Старков В.А. Пропиточный сплав на основе меди для алмазного бурового инструмента./В.А. Старков, Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков, М.Е. Гренадер. А.с. №1327558. ДСП.-М.: 1985.
169. Степанов П.М. Повышение эффективности алмазного бурения с продувкой воздухом./П.М. Степанов, Н.Н. Суманеев, Ю.Е. Будюков, В.П. Романов. Научно-тех. реф. сб. «Алмазы», вып. 3. М.: НИИМАШ, 1970.-c.42-44.
170. Суманеев Н.Н. Комплекс алмазного породоразрушающего инструмента для снарядов КССК-76./Н.Н. Суманеев, Ю.Е. Будюков, И.А. Щадрин. -М.:«Разведка и охрана недр», №9, 1976. с.50-54.
171. Суманеев Н.Н. Алмазный породоразрушающий инструмент для бурения снарядами со съемными керноприемниками (КССК). /Н.Н. Суманеев, Ю.Е. Будюков, М.Е. Гренадер, Л.Л. Волков. Обзор. -М.: ВИЭМС, 1977. -30 с.
172. Суманеев Н.Н. Алмазный породоразрушающий инструмент для КССК./Н.Н. Суманеев, Л.В. Веденеев, Ю.Е. Будюков, A.M. Никаноров. ОНТИ ВИЭМС, вып.4,1974. с.5-7.
173. Суманеев Н.Н. Разработка новых алмазных коронок для бурения осадочных пород. /Н.Н. Суманеев, Ю.Е. Будюков, Л.В. Веденеев. Сб. «Алмазы», вып.4. М., 1974. - с. 15-20.
174. Суманеев Н.Н. Алмазная буровая коронка. / Н.Н. Суманеев, Ю.Е. Будюков, Л.Л. Волков. А.с. № 1609939. БИ № 19, 1988.
175. Сулакшин С.С. Способы, средства и технология получения представительных образцов пород и полезных ископаемых при бурении геологоразведочных скважин. Томск.: Изд-во НТЛ, 2000. - 284 с.:ил.
176. Сулакшин С.С. Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин. Справочное пособие./С.С. Сулакшин, В.В. Кривошеее, В.И. Рязанов -М.:Недра, 1989.-167 с.:ил.
177. Слюсарь И.Е. Опыт работы коронками, армированными синтетическими сверхтвердыми материалами /И.Е. Слюсарь, Ю.Е. Будюков, В.П. Заполь-ский. Материалы научн.конф. Европейский стран членов СЭВ и СФРЮ «Синтетические алмазы». Киев, 1974 - 10 с.
178. Слюсарь И.Е. Исследования по определению рациональной осевой нагрузки на резцовую коронку. /И.Е. Слюсарь, Ю.Е. Будюков. Химия вольфрама и молибдена. № 3, КБГУ. Нальчик, 1976. с. 61-63.
179. Тяпунина Н.А. Действие ультразвука на кристаллы с дефектом. Н.А. Тя-пунина, Е.К. Наими, Г.М. Зиненкова -М.:изд-во МГУ, 1999. 239 с.:ил.
180. Фудзии Т. Механика разрушения композиционных материалов. Т. Фуд-зии, М. Дзако. М.:Мир, 1982. -232 с.:ил.
181. Хартман и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. - 340 с.:ил.
182. Ципин Н.В. Износостойкость композиционных алмазосодержащих материалов для бурового инструмента. Киев, Наукова Думка, 1983. - 192 с.:ил.
183. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения. М.:Недра. 1987.-308 с.:ил.
184. Чихоткин В.Ф. Исследование техники и технологии бурения геологоразведочных скважин и разработка нового поколения алмазного породоразрушающего инструмента.-М. :ОАО «ВНИИОЭНГ», 1997.-241 с.:ил.
185. Чихоткин В.Ф. Исследование призабойных процессов в алмазном буре-нии.-М.: ОАО «ВНИИ ОЭНГ», 1998. 142 с.:ил.
186. Чугунов Б.С. Опыт применения алмазов низкого качества для изготовления бурильного инструмента./Б.С. Чугунов, Б.У. Фаммухов, Ю.Е. Будюков. Сб. «Опыт бурения алмазными долотами нефтяных и газовых скважин», ВНИИ ОЭНГ, серия «Бурение». М., 1966.-С.30-35.
187. Шамшев Ф.А. Технология и техника разведочного бурения./Ф.А. Шам-шев, С.Н. Тараканов, Б.Б. Кудряшов, Ю.М. Парийский, A.M. Яковлев -М.: Недра, 1983. 565 с.:ил.
188. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. - 302 с.:ил.
189. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. М.: Гостоп-техиздат, 1950.
190. Эйгелес P.M. Разрушение горных пород при бурении. М.: Недра, 1970. - 232 с.:ил.
191. Яковлев А.А. Научно-практические основы технологии бурения и крепления скважин с применением газожидкостных и тампонажных смесей: Автореф. дис. . докт. техн. наук /Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова, 2001.-41 с.
192. Drilling SERVICE Diamond drilling bits, Cat No DS-11. For coring in soft formations. Basingstoke, 1966.
193. Erdoel Zeitschrift, 1960, №6.
194. Christensen Diamond Products со 8th PRINTING may, 1969.
195. Longyear General Bulletion №96, Bulletins №24SQ? 24LG, 70, 91, 92, 93, 301,304, 307,311,308.
196. Lummus I.L.Drilling optimization.-J.ofPetr. Tech,November, 1970.p 128-145.
197. Rowlands D. Some basic aspects of drilling. "Prog.Jst.Anst. №Z Conf. Cteomech, Melburne, 1971, Vol 1", Sydney, 1971, 222-231.
198. Smit J.K. Sons Diamond TOOLS ltd. (Cors bits) London, 1964.
199. Schindler M., Wossner G., Atomkern-energie, 1965, Vol 10, №9/10, 395-398.
-
Будюков, Юрий Евдокимович
-
доктора технических наук
-
Москва, 2003
-
ВАК 25.00.14
- Объемное упрочнение твердосплавного и алмазного породоразрушающего инструмента с целью повышения его эксплуатационных показателей
- Обоснование модели алмазной коронки на основе исследования механики разрушения твердых анизотропных пород
- Анализ забойных процессов в алмазном бурении с целью стабилизации работы породоразрушающего инструмента
- Совершенствование алмазного бурения на основе нормализации температурного фактора
- Повышение эффективности бурения глубоких разведочных скважин снарядами со съёмными керноприёмниками на основе применения модернизированных алмазных коронок
