Инновационные пути совершенствования породоразрушающих инструментов для колонкового бурения с продувкой сжатым воздухом в осложненных условиях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.02

ИННОВАЦИОННЫЕ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ С ПРОДУВКОЙ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Б.В. Григорьев, Р.М. Скрябин

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, 677000, г. Якутск, ул. Кулаковского, д. 50

Аннотация. Рассмотрен вопрос совершенствования породоразрушающих инструментов при бурении скважин в условиях многолетней мерзлоты. Предложена новая конструкция породоразрушающего инструмента с резцами из термоустойчивых наноматериалов для бурения скважин с продувкой сжатым воздухом. Рассмотрен вопрос технологии пайки твердосплавного инструмента с применением на-нокомпозитных материалов.

Ключевые слова: породоразрушающий инструмент, наноматериал, сжатый воздух.

INNOVATIVE WAYS OF IMPROVEMENT OF THE STRUCTURES ROCK-DESTRUCTIVE TOOLS FOR CORE DRILLING WITH AIR PURGE IN COMPICATED CONDITIONS

B.V.Grigoriev1, R.M.Skryabin1

'M.K. Ammosov North-Eastern Federal University, 677000, Yakutsk, Kulakovskist., 50

Abstract. Considered the issue of improving the rock-destructive tools for drilling wells in conditions of permafrost. A new design of rock cutting tool with a cutter from термоустойчивых nanomaterials for drilling of wells with air purge. The question is considered of the technology of the soldering carbide tool with the use of nanocomposite materials. Keywords: the rock cutting tool, nanomaterial, compressed air.

Высокая чувствительность сцементированных льдом рыхлых отложений и разрушенных коренных скальных пород к нарушению их температурного и агрегатного состояния, влияние аккумулированного горными породами холода на устойчивость ствола скважины и протекающие в нем процессы являются причинами частых, разнообразных по природе и тяжелых по последствиям осложнений.

Главной причиной этих осложнений является недоучет температурного фактора, нарушение нормального температурного режима скважины, при котором интенсивность теплообменных процессов между мерзлыми породами и циркулирующей в

скважине промывочной средой, вызывает нарушения агрегатного состояния льда как связующего цемента. Примерами неверного подхода в этом вопросе являются известные в практике попытки применять нагретую воду или глинистый раствор в целях борьбы с образованием шуги, ледяных пробок, намерзанием сальников и т.п., что приводило к нарушению связности сцементированных льдом пород и их обрушению, обвалам и тяжелым авариям.

Многолетняя мерзлота и сложноструктурное строение вскрышных породных массивов характерны для алмазосодержащих месторождений Якутии, где температура в зимние месяцы достигает - 50 °С, а средняя годовая - не превышает минус 1015 °С. Это предопределяет весьма неблагоприятные условия бурения, обслуживания станка и работы смежных механизмов горного производства.

По данным ОАО АК «Алроса» и дочернего предприятия ОАО «Алмазы Анабара» на данное время применяемая технология бурения разведочных скважин представлена вращательным бурением с продувкой сжатым воздухом, одинарными колонковыми трубами с использованием серийных твердосплавных буровых коронок типа СМ-5, СА-6 с приваренными расширителями, изготавливаемыми из таких же коронок собственными силами, скважины вертикальные, наклонные, глубиной бурения 250 метров диаметром от 112 мм до 300 мм. Средний ресурс твердосплавного по-родоразрушающего инструмента по алевролитам составляет 10-15 м, по песчаникам 4-5 м, по кварцитам 1-2 м, по доломитам приходится использовать пневмоударные механизмы с коронками КП-132, что плохо сказывается на представительность кер-новых проб горных пород. В среднем по компании АЛРОСА на 1000 п.м. расходуется 167 буровых коронок при средней проходке на коронку - 5,98 п.м. Характер износа серийных коронок типа СМ, СА в основном представлен интенсивным затуплением режущих граней твердосплавных резцов. Основными причинами преждевременного износа резцов и малого ресурса коронок является низкая температура и износостойкость твердых сплавных резцов и их недостаточное охлаждение при бурении с продувкой воздухом.

Неоднородность условий изнашивания на породоразрушающей поверхности обусловлена несколькими группами причинных факторов:

- технических: неравномерное распределение температуры, нормальных и тангенциальных напряжений по резцу; различия в линейных скоростях перемещения участков режущей поверхности коронок; различия в величинах пути перемещения (трения) и объема разрушаемой на забое породы;

- эксплуатационных: изменение кинематики движения коронок; уровня нормальных и касательных напряжений, зависящих от величины отношения осевой нагрузки к угловой частоте вращения коронки; колебательные процессы в призабойной зоне, в буровом снаряде, в том числе и в колонне бурильных труб; нарушение технологии бурения и т.п.;

- геологических и физико-механических: неоднородности структур и текстур буримых горных пород забоя скважины; их трещиноватость; перемежаемость по твердости; различия по теплофизическим характеристикам и т.п.

Разработка принципиально новых технических решений в направлении создания специального бурового инструмента и обоснования параметров технологии подготовки скважин в условиях сложноструктурных мёрзлых пород позволяет существенно улучшить технико-экономические показате-ли добычи алмазосодержащего сырья.

Наиболее перспективным в совершенствовании разведочного бурения в условиях криолитозоны является применение в качестве очистного агента сжатого воздуха. Сжатый воздух, в отличие от воды и глинистых растворов, не замерзает, поэтому полностью устраняются осложнения, связанные с замерзанием и потерей промывочной жидкости в скважине. При одной и той же начальной температуре воздух несет в 60-100 раз меньше тепла, чем промывочная жидкость. Сжатый воздух, снижая опасность и остроту осложнений, связанных с протаиванием пород, не устраняет эти осложнения полностью. На выходе из компрессора он имеет повышенную температуру (70-80 °С) даже в зимний период. Как показала практика, применение обычного сжатого воздуха, подаваемого в скважину непосредственно от компрессора, чревато рядом специфических осложнений, связанных с выпадением и замерзанием конденсата из воздуха в скважине. Это может быть слипание частиц шлама, образование сальников, намерзание конденсата в соединениях, уменьшение проходных сечений, прижоги породоразрушающего инструмента, прихваты. Для устранения таких осложнений требуется предварительное осушение и охлаждение сжатого воздуха, подаваемого в скважину [1].

Принудительное охлаждение воздуха от 5 до -100С полностью устраняет осложнения, связанные с растеплением стенок скважин и с их обвалами в процессе бурения. Однако охлаждение сжатого воздуха требует использования дополнительного оборудования.

Сухой лёд представляет собой твёрдую фазу угольного ангидрида СО2 или углекислого газа, что принято называть также углекислотой. В атмосферных условиях твёрдая углекислота переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу - сублимирует. При атмосферном давлении сухой лёд сублимирует при температуре -78,9 °С. Углекислый газ при нормальных условиях имеет плотность 1,877 кг/м3. Этот газ тяжелее воздуха в 1,529 раза.

Холодопроизводительность сухого льда при атмосферном давлении и температуре сублимации -78,9 °С равна теплоте сублимации, т.е. 574 кдж/кг, а с учётом отепления, образовавшегося при сублимации пара до 0 °С, холодопроизводительность сухого льда, почти в 3 раза больше, чем у водного льда. Углекислота нейтральна к металлам и является безвредным газом. Сухой лёд удобный для использования источник холода, позволяющий легко получить температуру от -60° до -70° С.

Требуется разработка новых принципов конструирования с учетом одновременного взаимодействия всех основных факторов, определяющих работоспособность инструмента.

Наиболее рационально охлаждение сжатого воздуха в результате теплообмена с атмосферным. На практике этот способ применяется в зимнее время (например,

с помощью использования компактного ребристо-трубчатого холодильника). В летний период охлаждение таким способом менее эффективно, в таких случаях применяют 2-х ступенчатое охлаждение (предварительное и окончательное охлаждение). Двухступенчатая система охлаждения сжатого воздуха при бурении скважин с продувкой наиболее удобна, поскольку в зимний период может эксплуатироваться лишь первая ступень охлаждения, достаточная для получения сжатого воздуха с температурой до - 10°С, а в летний период - первая в сочетании с той или иной второй ступенью. Снижение температуры сжатого воздуха от 80°С (на выходе из ресивера компрессора) до 25° С (на выходе из теплообменника) позволяет более чем втрое снизить внутреннюю энергию воздушного потока.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости буровых коронок на основе опыта отработки серийных твердосплавных и алмазных коронок, с применением инновационных сверхтвердых материалов.

Рис. 1. Породоразрушающий инструмент с увеличенными промывочными окнами с резцами из инновационных сверхтвердых наноматериалов (1 - корпус коронки, 2 - резцы из кубического нитрида бора, 3 - торцевые промывочные окна)

Для бурения пород средней твердости (!У-У!!! категории по буримости), для которых предназначается предлагаемая буровая коронка, широко испольуются коронки типа СМ, представляющие собой корпус с промывочными каналами и выступами на рабочем торце, армированными резцами из твердого сплава. Эти коронки дают хорошие результаты при бурении с промывкой, то есть при использовании в качестве очистного агента промывочных жидкостей. При бурении с использованием в качестве очистного агента сжатого воздуха (особенно в условиях многолетней мерзлоты, где применение промывочной жидкости иногда невозможно) такие коронки работают плохо, зашламовываются, преждевременно затупляются и процесс бурения затрудняется или прекращается совсем. В этих условиях значительно повысить

скорость бурения можно за счет улучшения очистки забоя от шлама путем применения коронок с расширенной торцевой частью с широкими резцами, имеющих существенно большие зазоры между инструментом и стенками скважины. Однако известные ребристые коронки типа М (см. Справочник по бурению геологоразведочных скважин / И.С. Афанасьев, Г.А. Блинов и др. - Санкт- Петербург : Недра, 2000. - С. 157; Справочник механика геологоразведочных работ / А.А. Гланц, В.В. Алексеев. - Москва : Недра, 1987. - С. 125), представляющие собой корпус, оснащенный в приторце-вой части выступами и наружными ребрами, армированными резцами из твердого сплава, предназначены для бурения скважин лишь в мягких породах 1-1У категорий по буримости. В этих коронках металлические ребра на короночном кольце крепят путем приваривания к наружной поверхности или в пазах торца; армируют эти коронки крупными пластинами твердого сплава. Применять такие коронки в породах средней твердости и твердых нецелесообразно в связи с очень низкими скоростями бурения и недостаточной стойкостью приварных ребер.

Целью настоящего технического решения является повышение эффективности твердосплавных коронок (скорости бурения, ресурса) при использовании их в горных породах средней и выше среднего твердости (категории буримости). Поставленная цель достигается тем, что корпус изготовлен из цельной металлической (трубной) заготовки, торцевая часть корпуса выполнена с расширением, а резцы армированы сверхтвердым материалом, размер (ширина) которых подобран из условия полного перекрытия кольцевого забоя. Благодаря изготовлению корпуса коронки из цельной металлической заготовки значительно увеличивается прочность корпуса с расширенной торцевой частью, а также повышается ресурс твердосплавных резцов за счет массивной конструкции.

Наличие широких твердосплавных резцов по торцу и на боковой поверхности породоразрушающего инструмента обеспечивает максимальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины, что обуславливает хорошую очистку забоя скважины от шлама.

В качестве резцов из сверхтвердого материала предполагается применение на-номатериала - Нанокубический нитрид бора (микробор) (табл. 1). Кубический нитрид бора - новый синтетический сверхтвердый материал, который по твердости приближается к алмазу, но имеет более высокую теплостойкость. Кубический нитрид бора представляет собой химическое соединение двух элементов: бора (43,6 %) и азота (56,4 %). Он имеет кристаллическую решетку почти с такими же строением и параметрами, как и алмаз. Кубический нитрид бора получен из нитрида бора (БЫ), по свойствам во многом похожего на графит. Как и графит, нитрид бора кристаллизуется в гексагональную решетку. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, у нитрида бора равно 1.45А, у графита - 1,42А, а расстояние между плоскостями составляет соответственно З.ЗЗА и 3,35А. При этом в каждом шестиграннике атомы бора и азота чередуются между собой, каждый атом азота соединен с тремя атомами бора и наоборот.

Таблица 1

Сравнение физико-механических свойств инструментальных материалов

Наименование Микротвердость, ГПа Теплостойкость, С

Быстрорежущая сталь 5 715

Твердый сплав 10 900

Керамика 20 1100

КНБ 37 1200

НКНБ Микробор 65 1500

Алмаз синтетический 95-100 1100

Алмаз природный 100 650 - трещинообразование 500 - графитизация

В отличие от структуры графита, у которого шестигранные слои сдвинуты один относительно другого так, что вершина шестигранника находится над центром соседнего, у нитрида бора эти слои расположены точно друг под другом, а атомы бора и азота чередуются по вертикали . Плотности нитрида бора и графита близки и составляют 2,20—2,25 г/см3 и 2,20—2,35 г/см3 соответственно. Сам по себе нитрид бора не является сверхпрочным материалом, однако если поместить его под давление, то его прочностные характеристики возрастают в разы [4].

Действие температурного фактора при алмазном бурении проявляется в виде температурных деформаций буровых алмазов: зашлифований режущих граней и растрескиваний от температурных напряжений с возможным высыпанием осколков зерен из матрицы. Ввиду сложности этого процесса были использованы различные методы исследований, в основе которых лежат закономерности теории упругости, пластичности, механики сплошных сред и механики трещинообразования. Для изучения взаимодействия импрегнированных алмазных коронок с забоем скважины были применены методы триботехники, качественно описывающие разрушение породы в режиме микрорезания и истирания. В последнее время для исследования напряженного состояния анизотропных, трещиноватых пород начали применять энтропийные, вероятностные методы с использованием аппарата статистической физики.

Наряду с успехами в области синтеза крупных алмазных монокристаллов для армирования однослойных алмазных коронок необходимо дальнейшее развития научных основ разработки конструкций и технологий применения породоразруша-ющего инструмента. Использование крупных синтетических алмазов в качестве по-родоразрушающих элементов однослойных коронок позволяет рассчитывать на интенсификацию процесса разрушения породы на забое и увеличение механической скорости бурения. Однако при этом возрастают требования к точности расчётных моделей, в частности, взаимодействия алмазов с забоем, что необходимо для оценки прочностных характеристик алмазных резцов при форсированных режимах работы. При прочих равных условиях наибольшую опасность для алмазного резца представляют изгибающие напряжения, величина которых зависит от глубины внедрения алмаза [2].

Температурные напряжения в алмазах имеют место на их поверхностях, в зоне соприкосновения с очистным агентом:

= Е0{1а - ЪК1 -лГЧ^ -

где Е- модуль упругости первого рода (модуль Юнга), МПа;

ц - коэффициент Пуассона (для алмазов ц=0,3);

^ср - средняя по объему алмаза «безразмерная» температура (средний температурный критерий); 0п - температурный критерий для поверхности алмаза.

В общем виде температурный критерий для алмазного зерна

О = {г-^Х^-*«)1'

где X - текущая абсолютная температура в объеме алмаза, зависящая от времени прогрева и значения текущего радиуса, °С [3].

Таблица 2

Температурные критерии вп и 0ср для алмазов различной зернистости

Зернистость алмазов, шт./кар. Я • 103, м В Т В2Т е ср

20-30 0,816 0,138 3,39 0,065 0,75 0,60

30-40 0,730 0,124 4,20 0,065 0,77 0,64

40-60 0,648 0,110 5,31 0,065 0,80 0,68

60-90 0,566 0,097 6,94 0,065 0,83 0,72

120-150 0,466 0,080 10,22 0,065 0,86 0,78

150-400 0,067 0,063 16,48 0,065 0,92 0,87

Рис. 2. Номограммы для определения величин температурных критериев: а - на поверхности алмазов 0П ; б - среднего по объему вср

Из таблицы 3 следует, что для крупных алмазов зернистостью 20-90 шт./кар разрушающие напряжения возникают при нагреве от 300 до 600 °С, соответственно, тогда как более мелкие алмазы (120-400 шт./кар) выдерживают нагрев до 700-1000 °С без нарушения целостности. Однако при таком нагреве алмаз все же теряет в прочности,

что становится причиной появления зашлифований (пластических деформаций) рабочих граней.

Таблица 3

Температурные напряжения на поверхности буровых алмазов различной зернистости от степени их нагрева (температура очистного агента ^ = 10 °С)

Зернистость алмазов, шт./кар

°ВС>

МПа

МПа

Температурное напряжение (МПа) при температурах нагрева алмазов (°С)

200

300

400

600

800

1000

1200

20-30

900

225

84 216

190 211

339 205

541

187

762 160

1022 135

30-40

1400

350

73 336

165 328

294 319

469 291

660

249

886 210

40-60

2200

500

67 480

152 468

271 456

433 426

610

356

818 300

60-90

2700

675

62 648

139 632

249 616

397 562

559 431

749 405

120-150

3100

775

45 744

107

725

181

707

288 645

406 552

545 465

150-400

3500

875

28 840

67 819

113

798

180

728

254 625

341

525

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение стойкости буровых коронок и снижение энергоемкости разрушения при бурении с продувкой сжатым воздухом за счет более интенсивного охлаждения торца буровой коронки, защиты их от окисления и снижения коэффициента трения о горную породу.

Для бурения в твердых и крепких горных породах предлагается специальная алмазная коронка (рис.3), отличающаяся особым выполнением секторов матрицы - плавно возрастающей шириной и убывающей высотой в направлении, обратном направлению вращения коронки на забое скважины. Такое исполнение коронки обеспечивает уменьшение контактной поверхности на 20% по сравнению с серийной коронкой типа К-09.

В процессе разрушения забоя постепенно внедряются и остальные части секторов со всей массой армирующих коронку алмазов. При этом происходит клиновое расширение разрушаемой поверхности забоя скважины, от чего забой становится уступообразным, а сами уступы приобретают вид вытянутых треугольников, что способствует направлению реакции забоя снизу вверх с передачей на уступы растягивающих усилий, в результате чего эффективность разрушения породы усиливается и происходит интенсивный вынос шлама на поверхность.

1 *

Рис. 3. Алмазная коронка для бурения в твердых и крепких породах: 1 - корпус; 2 - специальным образом профилированные сектора;

3 - задняя стенка сектора; 4 - промывочный канал; 5 - передняя стенка сектора

Расположение промывочных каналов по схеме рис.2 способствует снижению пневматических сопротивлений в призабойной зоне и увеличению глубины бурения без изменения мощности компрессоров. Как следует из рис.2, сектора матрицы смещаются от средней окружности коронки попеременно то к периферии, то к центру, образуя амплитудное расположение секторов с высвобождением полостей, заполняемых промывочной жидкостью на боковых поверхностях матрицы, которые, играя роль резервуаров для гидродинамической смазки трущихся поверхностей, способствуют снижению степени воздействия потока на керн и повышению его выхода при бурении.

Анализ приведенных зависимостей и данных расчетов по ним позволил сформулировать некоторые мероприятия предупреждения или снижения интенсивности трещинообразования в матрицах алмазных коронок из-за действия механических и температурных напряжений:

- снижение величины поступающего в матрицу теплового потока, что можно реализовать уменьшением поверхности для поступления тепла, например, за счет «амплитудного» расположения секторов матрицы, при котором вдвое сокращается температурное напряжение и вдвое снижается температурный градиент;

- выбор материала для связки в матрице коронки, обладающего низкими значениями модуля упругости при растяжении-сжатии и коэффициента Пуассона и повышенной теплопроводностью, а также высоким значением удельной работы разрушения при образовании новых поверхностей;

Литература

1. Кудряшов, Б.Б. Бурение скважин в осложненных условиях : учебное пособие для вузов / Б.Б. Кудряшов, А.М. Яковлев. - Москва : Недра, 1987. - С. 124-147.

2. Воздвиженский, Б.И. Повышение эффективности колонкового алмазного бурения / Б.И. Воздвиженский, Г.А. Воробьев, Л.К. Горшков и др. - Москва : Недра, 1990. - 208 с.

3. Горшков, Л.К. Развитие принципов конструирования алмазного породоразру-шающего инструмента нового поколения / Л.К. Горшков. - Санкт-Петербург, 2010.

4. Шипило, В.Б. Структура и свойства композиционных материалов на основе кубического нитрида бора, спеченных при высоком давлении / В.Б. Шипило, Н.Г. Ани-ченко, И.М. Старченко //Сверхтвердые материалы. - 1996. - № 5. - С. 8-12.